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各階段常見的典型失效機(jī)理

 

前段制程（FEoL）常見的失效機(jī)理

1）與時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- 柵極氧化物

2）熱載流子注入（HCI）

3）負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI）

4）表面反轉(zhuǎn)（移動(dòng)離子）

5）浮柵非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

6）局部電荷捕獲非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

7）相變（PCM）非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

后段制程（BEoL）常見的失效機(jī)理

1）與時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- low k材質(zhì)電介質(zhì)/移動(dòng)銅離子

2）鋁電遷移（Al EM）

3）銅電遷移（Cu EM）

4）鋁和銅腐蝕

5）鋁應(yīng)力遷移（Al SM）

6）銅應(yīng)力遷移（Cu SM）

封裝/界面常見的失效機(jī)理

1）因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的疲勞失效

2）因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的界面失效

3）因高溫導(dǎo)致的金屬間化合物和氧化失效

4）錫須

5）離子遷移動(dòng)力學(xué)（PCB）--組件清潔度

 

本文對(duì)因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的界面失效模型進(jìn)行研究。

 

與因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的疲勞失效模型基本一致，但主要關(guān)注于不同材料之間的界面的鏈接可靠性。

 

在溫度循環(huán)和溫度沖擊后，超大規(guī)模集成電路（ULSI）器件中可能會(huì)發(fā)生界面失效。界面失效可能包括：

 

• 爆米花效應(yīng)（Popcorn Effect）：通常指在特定的環(huán)境或條件下，某種物質(zhì)或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)類似爆米花爆開的現(xiàn)象。在電子領(lǐng)域，“爆米花”現(xiàn)象被定義為模塑料與硅芯片、引線框架或基板之間界面分層斷裂，通常是由于界面附著力不足，尤其是在存在濕氣的狀況下，器件回流焊時(shí)很容易發(fā)生發(fā)生爆米花效應(yīng)。通常使用Paris冪率模型進(jìn)行建模。

 

 

• 薄膜龜裂可能發(fā)生在脆性介電薄膜中（尤其是當(dāng)脆性薄膜處于靜力拉伸應(yīng)力下時(shí)）。通常使用Paris冪率模型進(jìn)行建模。

• 如果溫度循環(huán)導(dǎo)致模塑料從硅芯片表面逐漸分層，引線鍵合可能會(huì)“翹起”（引線和金屬間化合物與鍵合焊盤斷開）。如果引線的晶粒尺寸過大，在溫度循環(huán)下，引線鍵合也可能在球上方以“竹節(jié)”的方式斷裂。通常使用Coffin-Manson或Paris冪率模型進(jìn)行建模。

• 如果芯片邊緣附近存在焊接空洞，芯片在溫度循環(huán)或溫度沖擊時(shí)可能會(huì)發(fā)生斷裂。通常使用Coffin-Manson模型進(jìn)行建模。

建模的溫變參數(shù)條件通常是所關(guān)注的范圍（即加速應(yīng)力與正常使用條件），但在某些條件下，需要其他條件來進(jìn)行可靠性估計(jì)（AF或FITs）：

 

1） 溫度循環(huán)范圍跨越了一個(gè)臨界溫度，例如Tg（聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）。

2） 在感興趣的溫度范圍內(nèi)，材料性能發(fā)生顯著變化。例如，鉛基焊料的應(yīng)力松弛率在室溫附近發(fā)生了很大的變化。

 

Paris冪率模型：

1963年由Paris和Erdogan提出了基于斷裂力學(xué)方法的Paris冪率定律。由Paris冪率定律對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的對(duì)數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子的對(duì)數(shù)進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)有三個(gè)區(qū)域：

a）區(qū)域I代表亞臨界裂紋萌生；

b）區(qū)域II代表緩慢裂紋生長速度；

c）區(qū)域III代表裂紋快速擴(kuò)展。

Paris冪率定律用于根據(jù)冪律表征疲勞載荷下的亞臨界裂紋擴(kuò)展，使用應(yīng)力強(qiáng)度因子表示如下：

 

或者可選擇使用能量釋放率而不是應(yīng)力強(qiáng)度因子：

 

 

Paris冪率定律指數(shù)m對(duì)于幾種不同的界面斷裂機(jī)制的值如下表所示：

 

Paris冪率模型壽命預(yù)估示例：

目標(biāo)：

計(jì)算日常使用環(huán)境中模塑料從硅芯片（低k或FTEOS與 Cu）分層的加速因子（AF），并與汽車環(huán)境中的進(jìn)行比較。

假設(shè)條件：

1）日常使用環(huán)境條件為：每日溫度波動(dòng)20°C一次

 

2）汽車環(huán)境條件為：每天4個(gè)循環(huán)，溫度波動(dòng)80°C

 

3）遵循使用能量釋放率的Paris冪率定律：dN∝(ΔG)–m

 

4）m=4

 

AF計(jì)算公式：

AF=(ΔGoffice/(ΔGauto)–m

 

假設(shè)條件代入計(jì)算：

 

AF=(20/80)–4=256/循環(huán)，但汽車環(huán)境精力的溫循更多

 

結(jié)論：對(duì)汽車環(huán)境與日常使用環(huán)境進(jìn)行比較評(píng)估，會(huì)發(fā)現(xiàn)日常使用環(huán)境故障前時(shí)間（TTF）值是汽車環(huán)境的1000倍，其中256倍是由于溫度差的差異，4倍是由于循環(huán)頻率。