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各階段常見(jiàn)的典型失效機(jī)理

 

前段制程（FEoL）常見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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)因高溫導(dǎo)致的金屬間化合物和氧化失效模型進(jìn)行研究

 

在超大規(guī)模集成電路（ULSI）器件中，由于回流焊、烘烤、溫度循環(huán)或溫度沖擊的高溫，不同金屬接觸處會(huì)形成金屬間化合物（IMC）。過(guò)多的IMC生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致引線(xiàn)鍵合或Bump凸點(diǎn)具有較高的電阻和不良的機(jī)械性能（強(qiáng)度低和脆性斷裂）。金屬間化合物的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和氧化膜厚度可以通過(guò)阿倫尼烏斯方程和活化能進(jìn)行較好地建模。

 

 

通常情況下，IMC（金屬間化合物）不是越厚越好。IMC的厚度需要控制在一定范圍內(nèi)。如果過(guò)薄，可能導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度不足；但如果過(guò)厚，會(huì)使焊點(diǎn)變得脆化，降低其機(jī)械性能和電性能，增加接觸電阻，從而影響產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。同時(shí)，金屬間化合物的生長(zhǎng)還會(huì)損害可焊性和接觸電阻。接觸電阻也會(huì)因引線(xiàn)鍍層的氧化而變大，氧化也可以通過(guò)阿倫尼烏斯方程和活化能進(jìn)行很好地建模。

 

注：雖然IMC生長(zhǎng)和金屬氧化失效機(jī)制都是與溫度相關(guān)的，但重要的是要認(rèn)識(shí)到每種機(jī)制都具有獨(dú)特的（表觀）活化能。

與IMC生長(zhǎng)速度過(guò)快相關(guān)的案例：《芯片鍵合質(zhì)量檢查》，典型失效形貌如下圖所示。

 

與IMC可靠性相關(guān)的科普資料：《與IMC相關(guān)鍵合可靠性學(xué)習(xí)資料》

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(lái)進(jìn)行可靠性估計(jì)（AF或FITs）。例如，如果烘烤溫度超過(guò)臨界溫度，會(huì)導(dǎo)致其他的失效機(jī)制，并造成活化能發(fā)生變化。

注：如果空封封裝（陶瓷或金屬氣密性封裝），金-鋁鍵合與氧氣隔離，或者存在氫氣（如在密封封裝中），那么氣態(tài)環(huán)境會(huì)影響動(dòng)力學(xué)。對(duì)于塑料封裝來(lái)說(shuō)，因?yàn)闅怏w擴(kuò)散率（濕氣、氧氣等）足夠大，以至于芯片表面在室溫下幾個(gè)月內(nèi)就會(huì)與環(huán)境達(dá)到平衡，如果溫度較高則會(huì)更快。

 

阿倫尼烏斯模型：

與溫度相關(guān)的熱激活過(guò)程可以用阿倫尼烏斯方程進(jìn)行很好地建模：

熱激活的基本原理是基于麥克斯韋-玻爾茲曼能量分布跨越勢(shì)能壘的概率。阿倫尼烏斯在化學(xué)反應(yīng)速率研究工作中發(fā)現(xiàn)這種物理解釋?zhuān)手恍栌美锏虏畾怏w常數(shù)代替玻爾茲曼常數(shù)并使用不同的單位即可。我們?cè)谶@里選擇使用基于“物理”的單位；有時(shí)您會(huì)發(fā)現(xiàn)化學(xué)單位中激活能有兩個(gè)不同的版本。其等效關(guān)系為：23.1kcal/mole K=96.4kcal/mole K=1eV/atom。

使用上面的公式，溫度T1相對(duì)于溫度T2的加速因子 AF 如下：

阿倫尼烏斯模型壽命預(yù)估示例：

目標(biāo)：

計(jì)算“惡劣工業(yè)”環(huán)境的加速因子（AF），僅考慮4600小時(shí)的高溫105°C部分，不考慮另外20年的85°C部分。將“惡劣工業(yè)”環(huán)境與在175°C下烘烤1000小時(shí)的“認(rèn)證”環(huán)境進(jìn)行對(duì)比。

 

假設(shè)條件：

1）認(rèn)證測(cè)試條件為：T2——175°C,1000h

 

2）惡劣工業(yè)環(huán)境條件為：T1——105°C，4600h

 

3）Eaa=1.1eV

 

AF計(jì)算公式：

AF=exp[(Eaa/k)(1/T1–1/T2)]

 

假設(shè)條件代入計(jì)算：

 

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

上述AF僅為溫度加速，疊加時(shí)間加速，認(rèn)證和惡劣工業(yè)環(huán)境的加速因子AF如下：

AF（疊加）=（1000÷4600）*195=42

結(jié)論：因此，對(duì)“認(rèn)證”環(huán)境與“惡劣工業(yè)”環(huán)境的比較評(píng)估將顯示，失效時(shí)間（TTF）值是“惡劣工業(yè)”環(huán)境值的42倍，其中195倍是由于溫度差異，而0.217倍是由于時(shí)間差異。

 

論文參考：

《高溫存儲(chǔ)下銅線(xiàn)鍵合焊點(diǎn)分析》，作者為鐘小剛和李莉。論文中提到，采用銅引線(xiàn)鍵合工藝生產(chǎn)的電子元器件在服役中會(huì)產(chǎn)生熱量，引起引線(xiàn)與金屬化焊盤(pán)界面出現(xiàn)金屬間化合物，其生長(zhǎng)和分布將影響鍵合的可靠性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)“脫鍵”，導(dǎo)致元器件失效。研究人員選取銅線(xiàn)鍵合產(chǎn)品為試驗(yàn)樣品，分析了在高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)環(huán)境下焊點(diǎn)鍵合界面的生長(zhǎng)及微觀結(jié)構(gòu)變化情況。