各阶段常见的典型失效机理

 

前段制程（FEoL）常见的失效机理

1）与时间相关的电介质击穿（TDDB）-- 栅极氧化物

2）热载流子注入（HCI）

3）负偏压温度不稳定性（NBTI）

4）表面反转（移动离子）

5）浮栅非易失性存储器数据保持

6）局部电荷捕获非易失性存储器数据保持

7）相变（PCM）非易失性存储器数据保持

后段制程（BEoL）常见的失效机理

1）与时间相关的电介质击穿（TDDB）-- low k材质电介质/移动铜离子

2）铝电迁移（Al EM）

3）铜电迁移（Cu EM）

4）铝和铜腐蚀

5）铝应力迁移（Al SM）

6）铜应力迁移（Cu SM）

封装/界面常见的失效机理

1）因温度循环和热冲击导致的疲劳失效

2）因温度循环和热冲击导致的界面失效

3）因高温导致的金属间化合物和氧化失效

4）锡须

5）离子迁移动力学（PCB）--组件清洁度

 

本文对因高温导致的金属间化合物和氧化失效模型进行研究

 

在超大规模集成电路（ULSI）器件中，由于回流焊、烘烤、温度循环或温度冲击的高温，不同金属接触处会形成金属间化合物（IMC）。过多的IMC生产会导致引线键合或Bump凸点具有较高的电阻和不良的机械性能（强度低和脆性断裂）。金属间化合物的生长动力学和氧化膜厚度可以通过阿伦尼乌斯方程和活化能进行较好地建模。

 

 

通常情况下，IMC（金属间化合物）不是越厚越好。IMC的厚度需要控制在一定范围内。如果过薄，可能导致结合强度不足；但如果过厚，会使焊点变得脆化，降低其机械性能和电性能，增加接触电阻，从而影响产品的可靠性和使用寿命。同时，金属间化合物的生长还会损害可焊性和接触电阻。接触电阻也会因引线镀层的氧化而变大，氧化也可以通过阿伦尼乌斯方程和活化能进行很好地建模。

 

注：虽然IMC生长和金属氧化失效机制都是与温度相关的，但重要的是要认识到每种机制都具有独特的（表观）活化能。

与IMC生长速度过快相关的案例：《芯片键合质量检查》，典型失效形貌如下图所示。

 

与IMC可靠性相关的科普资料：《与IMC相关键合可靠性学习资料》

建模的温变参数条件通常是所关注的范围（即加速应力与正常使用条件），但在某些条件下，需要其他条件来进行可靠性估计（AF或FITs）。例如，如果烘烤温度超过临界温度，会导致其他的失效机制，并造成活化能发生变化。

注：如果空封封装（陶瓷或金属气密性封装），金-铝键合与氧气隔离，或者存在氢气（如在密封封装中），那么气态环境会影响动力学。对于塑料封装来说，因为气体扩散率（湿气、氧气等）足够大，以至于芯片表面在室温下几个月内就会与环境达到平衡，如果温度较高则会更快。

 

阿伦尼乌斯模型：

与温度相关的热激活过程可以用阿伦尼乌斯方程进行很好地建模：

热激活的基本原理是基于麦克斯韦-玻尔兹曼能量分布跨越势能垒的概率。阿伦尼乌斯在化学反应速率研究工作中发现这种物理解释，故只需用里德伯气体常数代替玻尔兹曼常数并使用不同的单位即可。我们在这里选择使用基于“物理”的单位；有时您会发现化学单位中激活能有两个不同的版本。其等效关系为：23.1kcal/mole K=96.4kcal/mole K=1eV/atom。

使用上面的公式，温度T1相对于温度T2的加速因子 AF 如下：

阿伦尼乌斯模型寿命预估示例：

目标：

计算“恶劣工业”环境的加速因子（AF），仅考虑4600小时的高温105°C部分，不考虑另外20年的85°C部分。将“恶劣工业”环境与在175°C下烘烤1000小时的“认证”环境进行对比。

 

假设条件：

1）认证测试条件为：T2——175°C,1000h

 

2）恶劣工业环境条件为：T1——105°C，4600h

 

3）Eaa=1.1eV

 

AF计算公式：

AF=exp[(Eaa/k)(1/T1–1/T2)]

 

假设条件代入计算：

 

AF=exp[(1.1eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+105)K–1/ (273+175)K)]=195

上述AF仅为温度加速，叠加时间加速，认证和恶劣工业环境的加速因子AF如下：

AF（叠加）=（1000÷4600）*195=42

结论：因此，对“认证”环境与“恶劣工业”环境的比较评估将显示，失效时间（TTF）值是“恶劣工业”环境值的42倍，其中195倍是由于温度差异，而0.217倍是由于时间差异。

 

论文参考：

《高温存储下铜线键合焊点分析》，作者为钟小刚和李莉。论文中提到，采用铜引线键合工艺生产的电子元器件在服役中会产生热量，引起引线与金属化焊盘界面出现金属间化合物，其生长和分布将影响键合的可靠性，严重时会出现“脱键”，导致元器件失效。研究人员选取铜线键合产品为试验样品，分析了在高温存储试验环境下焊点键合界面的生长及微观结构变化情况。

来源：Top Gun实验室

关键词： 半导体器件