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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)錫須生長(zhǎng)模型進(jìn)行研究

 

錫須可能導(dǎo)致災(zāi)難性的故障，尤其是在高精度的電子設(shè)備中，如航空航天設(shè)備、批量載人設(shè)備車輛、戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈等。據(jù)報(bào)道，錫須在地球和太空產(chǎn)品的應(yīng)用中都曾經(jīng)導(dǎo)致了系統(tǒng)故障，迄今為止，有報(bào)道稱至少有3次錫須誘導(dǎo)的短路導(dǎo)致在軌商業(yè)衛(wèi)星完全失效。

2021年，因鍍錫端子錫須可能會(huì)造成高壓直流電正負(fù)極間短路，小鵬召回13399輛G3電動(dòng)汽車。

 

在鍍層和焊接表面上形成的錫須是一個(gè)巨大的可靠性風(fēng)險(xiǎn)，在幾乎所有的操作環(huán)境中，從低濕度和低溫（太空應(yīng)用）到60°C/93%RH的條件，導(dǎo)電金屬單晶都會(huì)隨著時(shí)間從基底生長(zhǎng)。導(dǎo)電晶體可以生長(zhǎng)到足以接觸相鄰引腳的長(zhǎng)度，或者斷裂并轉(zhuǎn)移到電路板和元件位置，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障。

關(guān)于當(dāng)前錫須理論的全面討論可以在JP-002中找到，多年來，錫須生長(zhǎng)的機(jī)制一直在研究。但對(duì)于這些機(jī)制，尚未建立一個(gè)被普遍接受的解釋。一些理論認(rèn)為，錫須的生長(zhǎng)是對(duì)鍍錫層內(nèi)應(yīng)力釋放機(jī)制（特別是“壓縮”應(yīng)力）的響應(yīng);其他理論則認(rèn)為，錫須生長(zhǎng)可能歸因于錫晶粒結(jié)構(gòu)的再結(jié)晶和異常晶粒生長(zhǎng)過程。從冶金學(xué)的角度看，錫內(nèi)應(yīng)力是一個(gè)主要的因素。

 

在ULSI器件中，多種因素可導(dǎo)致鍍錫層內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力從而引發(fā)錫須生長(zhǎng)。這些因素包括：

1）電鍍化學(xué)和工藝等因素，其中光亮鍍錫工藝因其引入的殘余應(yīng)力較大，致使鍍錫層更易形成錫須。

2）基底材料與鍍錫層的相互擴(kuò)散形成金屬間化合物（如Cu6Sn5），改變晶格間距，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力，通過錫須形成來釋放應(yīng)力。

3）外部施加的壓縮應(yīng)力，如螺母或螺釘上的扭矩。

4）鍍覆后的彎曲或拉伸操作，如電子元件引腳成型過程。

5）處理、探測(cè)等操作導(dǎo)致鍍覆層和基底材料出現(xiàn)劃痕或缺口。

6）鍍覆材料與基底之間熱膨脹系數(shù)不匹配。

7）腐蝕或氧化——目前在這一領(lǐng)域正在進(jìn)行更多的研究工作。

 

由于所觀察到的錫須生長(zhǎng)極大程度地取決于諸如引線的幾何形狀、引線成分、溫度、相對(duì)濕度、電鍍添加劑、內(nèi)應(yīng)力、電流密度、電鍍溫度、鍍后是否進(jìn)行退火處理、是否存在鎳底層等因素，能夠預(yù)測(cè)錫須失效時(shí)間的通用模型迄今仍難以構(gòu)建。

關(guān)于錫須形成的理論尚未達(dá)成普遍共識(shí)，僅知曉表面和次表面應(yīng)力在這些單晶錫須結(jié)構(gòu)的形成中發(fā)揮著重要作用，且鉛的合金化具備將錫須形成最小化的能力。圍繞該模型的爭(zhēng)議依然存在。因此，強(qiáng)烈建議用戶在針對(duì)其獨(dú)特技術(shù)做出自身決策之前，查閱相關(guān)文獻(xiàn)。

 

向錫中添加鉛這一舉措，已被證實(shí)能夠降低錫須所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。其原因在于鉛能夠改變機(jī)械性能，具體表現(xiàn)為：鉛能夠提供更高的本征蠕變速率，降低屈服應(yīng)力，同時(shí)減輕雜質(zhì)對(duì)機(jī)械性能的影響。此外，鉛在界面處發(fā)生偏析，這一現(xiàn)象不僅增加了晶界的遷移率，還提升了晶界和表面源在蠕變過程中對(duì)空位的吸收效率，改善了表面氧化物的連續(xù)性，并使金屬間化合物的形態(tài)發(fā)生變化。但在RoHS（《關(guān)于限制在電子電氣設(shè)備中使用某些有害成分的指令》）的要求中，明確新增了必須使用無鉛焊料的嚴(yán)格要求。這一新增要求的提出，旨在進(jìn)一步減少電子電氣設(shè)備中含鉛物質(zhì)對(duì)環(huán)境和人體健康可能造成的潛在危害。

 

無鉛焊料較有鉛焊料更易生長(zhǎng)錫須，其主要緣由包括：其一，無鉛焊料的晶體結(jié)構(gòu)及微觀組織有別于有鉛焊料，致使內(nèi)部應(yīng)力分布不均，進(jìn)而增大錫須生長(zhǎng)的概率；其二，無鉛焊料的硬度普遍偏高，當(dāng)遭遇外部應(yīng)力時(shí)，難以通過塑性變形有效釋放應(yīng)力，由此促使錫須的形成；其三，無鉛焊料的熔點(diǎn)相對(duì)更高，在制造及使用進(jìn)程中所歷經(jīng)的熱循環(huán)可能引發(fā)更大的熱應(yīng)力，從而對(duì)錫須的生長(zhǎng)起到推動(dòng)作用。

 

注：其他相關(guān)信息，可參考NASA關(guān)于錫須網(wǎng)站《http://nepp.nasa.gov/whisker/index.html》

 

錫須成核時(shí)間模型（Time to Whisker Nucleation Model）：

    盡管錫須失效時(shí)間的模型尚未得以確立，但是一個(gè)前體模型，即錫須成核時(shí)間（TTWN），或者說錫須的孕育時(shí)間（以小時(shí)計(jì)），已經(jīng)被提出。不過，在使用此模型時(shí)應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎，以確保其適用性：

 

 

注：上述模型是從在銅合金（C194）引線框架頂部進(jìn)行啞光鍍錫，并在鍍后24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行150°C一小時(shí)鍍后退火的樣品上進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)中收集數(shù)據(jù)分析整理得出的?？赡懿贿m用于其他材料、工藝流程、鍍液化學(xué)處理的樣品。此外，此模型并未專門針對(duì)熱循環(huán)導(dǎo)致的錫須生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行研究。

 

各種條件下錫須成核時(shí)間模型的值

 

因此，工業(yè)級(jí)芯片通常要求芯片封裝后進(jìn)行回流焊，回流焊的目的主要有如下兩個(gè)：

1）通過回流焊釋放應(yīng)力，退火可以改變錫的晶體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部應(yīng)力分布，適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砜梢詼p少錫層內(nèi)部的應(yīng)力，降低錫須生長(zhǎng)的傾向；

2）回流焊可以激發(fā)有缺陷的樣品，助于檢測(cè)和排除早期不良品。

 

錫須成核時(shí)間預(yù)估示例：

目標(biāo)：

計(jì)算加速條件下和正常使用條件下的加速因子（AF）。

 

假設(shè)條件：

1）正常使用條件為：30°C/40%RH

2）加速條件為：60°C/87%RH

3）表觀活化能Eaa：0.41eV

4）A=0.014hrs

5）C=-0.012

AF計(jì)算公式：

TTWNaccel=A*exp(Eaa/（kTaccel)）*exp（C*RHaccel）=0.014*exp（0.41/（8.62*10-5*333））*exp（-0.012*87）=7908.55hrs

TTWNuse=A*exp(Eaa/（kTuse)）*exp（C*RHuse）=0.014*exp（0.41/（8.62*10-5*303））*exp（-0.012*40）=57204.77hrs

AF=TTWNuse/TTWNaccel=57204.77/7908.55=7.23

 

結(jié)論：由于溫度和濕度的差異，從加速環(huán)境轉(zhuǎn)移到正常使用環(huán)境，錫須成核時(shí)間（TTWN）值將增加到加速應(yīng)力值的 7.23 倍。