半導(dǎo)體器件可靠性與失效分析微電子

1、半導(dǎo)體器件可靠性與失效分析2011-2012-1教材：付桂翠付桂翠,陳穎等陳穎等, 北京航空航天大學(xué)出版社北京航空航天大學(xué)出版社,2010年年7月第一版月第一版. (普通高校普通高?！笆晃迨晃濉币?guī)劃教材規(guī)劃教材)參考書:1. 孔學(xué)東,恩云飛,國防工業(yè)出版社, 2006年9月第一版.2. 王蘊(yùn)輝,于宗光等,科學(xué)出版社.3. 孫青等,電子工業(yè)出版社. 理論教學(xué)內(nèi)容理論教學(xué)內(nèi)容1.元器件概述(1)2.元器件制造工藝與缺陷(1)3.微電子封裝技術(shù)與失效(1)4.可靠性試驗(yàn)與評價技術(shù)(3)5.使用可靠性設(shè)計(2)6.元器件的降額設(shè)計與熱設(shè)計(4)7.靜電放電損傷及防護(hù)(2)8.可靠性篩選(2)9.破

2、壞性物理分析與失效分析(6)10.失效分析案例(4) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容名稱：集成壓電類器件的破壞性物理分析學(xué)時：4學(xué)時實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合性實(shí)驗(yàn)元器件：選擇包括有電阻電容等元件、集成電路等器件及其連接的較復(fù)雜、綜合性強(qiáng)的集成類壓電器件，例如(有源)壓電蜂鳴器進(jìn)行分析。 第一章 元器件概述1.1 元器件的定義與分類定義：歐洲空間局歐洲空間局ESA標(biāo)準(zhǔn)中的定義標(biāo)準(zhǔn)中的定義： 完成某一電子、電氣和機(jī)電功能，并由一個或幾個部分構(gòu)成而且一般不能被分解或不會破壞的某個裝置。GJB4027-2000軍用電子元器件破壞性物理分析軍用電子元器件破壞性物理分析方法方法中的定義：中的定義： 在電子線路或電子設(shè)備中

3、執(zhí)行電氣、電子、電磁、機(jī)電或光電功能的基本單元，該基本單元可由一個或多個零件組成，通常不破壞是不能將其分解的。分類：兩大類元件：在工廠生產(chǎn)加工時不改變分子成分的成品，本身不產(chǎn)生電子，對電壓、電流無控制和變換作用。器件：在工廠生產(chǎn)加工時改變了分子結(jié)構(gòu)的成品，本身能產(chǎn)生電子，對電壓電流的控制、變換(放大、開關(guān)、整流、檢波、振蕩和調(diào)制等)，也稱電子器件。分類(來源：2007年版的軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄)電阻最可靠的元件之一失效模式：開路、機(jī)械損傷、接點(diǎn)損壞、短路、絕緣擊穿、焊接點(diǎn)老化造成的電阻值漂移量超過容差電位器失效模式：接觸不良、滑動噪聲大、開路等二極管集成電路失效模式：漏電或短路，擊穿特性

4、劣變，正向壓降劣變，開路可高阻失效機(jī)理：電遷移，熱載流子效應(yīng)，與時間相關(guān)的介質(zhì)擊穿(TDDB)，表面氧化層缺陷，絕緣層缺陷，外延層缺陷聲表面波器件MEMS壓力傳感器MEMS器件的主要失效機(jī)理1.粘附-兩個光滑表面相接觸時，在力作用下粘附在一起的現(xiàn)象；2.蠕變-機(jī)械應(yīng)力作用下原子緩慢運(yùn)動的現(xiàn)象；變形、空洞；3.微粒污染-阻礙器件的機(jī)械運(yùn)動；4. 磨損-尺寸超差，碎片卡入；5. 疲勞斷裂-疲勞裂紋擴(kuò)展失效。真空電子器件(vacuum electronic device)指借助電子在真空或者氣體中與電磁場發(fā)生相互作用，將一種形式電磁能量轉(zhuǎn)換為另一種形式電磁能量的器件。具有真空密封管殼和若干電極，管內(nèi)

5、抽成真空，殘余氣體壓力為10-410-8帕。有些在抽出管內(nèi)氣體后，再充入所需成分和壓強(qiáng)的氣體。廣泛用于廣播、通信、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、自動控制、電子對抗、計算機(jī)終端顯示、醫(yī)學(xué)診斷治療等領(lǐng)域。 真空電子器件按其功能分為：實(shí)現(xiàn)直流電能和電磁振蕩能量之間轉(zhuǎn)換的靜電控制靜電控制電子管電子管；將直流能量轉(zhuǎn)換成頻率為300兆赫3000吉赫電磁振蕩能量的微波電子管微波電子管；利用聚焦電子束實(shí)現(xiàn)光、電信號的記錄、存儲、轉(zhuǎn)換和顯示的電子束管電子束管；利用光電子發(fā)射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的光電管；產(chǎn)生X射線的X射線管射線管；管內(nèi)充有氣體并產(chǎn)生氣體放電的充氣管充氣管；以真空和氣體中粒子受激輻射為工作機(jī)理，將電磁波加以放大的

6、真空量子電子器件等。 自20世紀(jì)60年代以后，很多真空電子器件已逐步為固態(tài)電子器件所取代，但在高頻率、大功率領(lǐng)域，真空電子器件仍然具有相當(dāng)生命力，而電子束管和光電管仍將廣泛應(yīng)用并有所發(fā)展。1 真空電子器件里面就包含真空斷路器，真空斷路器具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以在變電站上應(yīng)用很多。真空斷路器已被快易優(yōu)收錄，由于采用了特殊的真空元件，隨著近年來制造水平的提高，滅弧室部分的故障明顯降低。真空滅弧室無需檢修處理，當(dāng)其損壞時，只能采取更換。真空斷路器運(yùn)行中發(fā)生的故障以操作機(jī)構(gòu)部分所占比重較大，其次為一次導(dǎo)電部分，觸頭導(dǎo)電桿等。 第二章 元器件制造工藝與缺陷2.1 芯片加工中的缺陷與成品率預(yù)測芯片制造缺陷的分類

7、： 全局缺陷：光刻對準(zhǔn)誤差、工藝參數(shù)隨機(jī)起伏、線寬變化等；在成熟、可控性良好的工藝線上，可減少到極少，甚至幾乎可以消除。 局域缺陷：氧化物針孔等點(diǎn)缺陷，不可完全消除，損失的成品率更高。 點(diǎn)缺陷：冗余物、丟失物、氧化物針孔、結(jié)泄漏 來源：灰塵微粒、硅片與設(shè)備的接觸、化學(xué)試劑中的雜質(zhì)顆粒。 2.2 混合集成電路的失效混合集成電路工藝： IC工藝：氧化、擴(kuò)散、鍍膜、光刻等 厚膜工藝：基板加工、制版、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)、激光調(diào)阻、分離元器件組裝等 薄膜工藝：基板加工、制版、薄膜制備、光刻、電鍍等 失效原因： 元器件失效：31% 互連失效：23%，引線鍵合失效、芯片粘結(jié)不良等； 沾污失效：21%關(guān)于混合集成

8、電路：關(guān)于混合集成電路： 按制作工藝，可將集成電路分為按制作工藝，可將集成電路分為: 1.半導(dǎo)體集成電路(基片：半導(dǎo)體) 即:單片集成電路(固體電路) 工藝:半導(dǎo)體工藝(擴(kuò)散、氧化、外延等) 2. 膜集成電路(基片：玻璃、陶瓷等絕緣體) 工藝：薄膜集成電路 真空蒸鍍 濺射 化學(xué)氣相沉積技術(shù) 厚膜集成電路 漿料噴涂在基片上 經(jīng)燒結(jié)而成(絲網(wǎng)印刷技術(shù)) 3. 混合集成電路(Hybrid Integrated Circuit) 特點(diǎn)：充分利用半導(dǎo)體集成電路和膜集成電路各自的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的目的 工藝：用膜工藝制作無源元件，用半導(dǎo)體IC或晶體管制作有源器件 三種集成電路的比較三種集成電路的比較 :

9、 混合IC膜IC半導(dǎo)體IC成本低批量時成本下降在批量時下降可靠性好可靠性好可靠性最好自由度大自由度較大自由度受限制設(shè)計周期短設(shè)計周期較短設(shè)計周期長11M 110M 101101k 110F1.2F50pF10mH100H不能實(shí)現(xiàn)混合IC膜IC半導(dǎo)體IC無源元件精度：10%有源器件精度： 1020%無源元件精度：%有源器件精度： 1020%無源元件精度：2030%差有源器件精度： 2030%差集成度較低集成度較高集成度最高超高頻、大(極低)功率、高壓大電流、元件類型多的電路含無源元件多、阻值范圍寬、精度高、跟蹤溫度系數(shù)好的模擬電路有源器件多，數(shù)字電路，脈沖電路，標(biāo)準(zhǔn)化模擬電路 3.微電子封裝技術(shù)

10、與失效3.1 微電子封裝的分級： 零級封裝：通過互連技術(shù)將芯片焊區(qū)與各級封裝的焊區(qū)連接起來； 一級封裝(器件級封裝)：將一個或多個IC芯片用適宜的材料封裝起來，并使芯片的焊區(qū)與封裝的外引腳用引線鍵合(WB)、載帶自動焊(TAB)和倒裝焊(FC)連接起來，使之成為有功能的器件或組件，包括單芯片組件SCM和多芯片組件MCM兩大類 二級封裝(板極封裝)：將一級微電子封裝產(chǎn)品和無源元件一同安裝到印制板或其他基板上，成為部件或整機(jī)。 三級封裝(系統(tǒng)級封裝)：將二極封裝產(chǎn)品通過選層、互連插座或柔性電路板與母板連接起來，形成三維立體封裝，構(gòu)成完整的整機(jī)系統(tǒng)(立體組裝技術(shù))3.2 微電子的失效機(jī)理1.熱/機(jī)械

11、失效 熱疲勞 熱疲勞失效主要是由于電源的閉合和斷開引起熱應(yīng)力循環(huán)，造成互連焊點(diǎn)變形，最終產(chǎn)生裂紋失效分析例子3-1連接器的過機(jī)械應(yīng)力疲勞損傷樣品：SMA連接器(陰極)現(xiàn)象：外部插頭(陽極)與該SMA接頭連接不緊，裝機(jī)前插拔力檢驗(yàn)合格失效模式：接觸不良 半圓弧夾片明顯偏離(孔學(xué)東,恩云飛主編的電)插孔周邊絕緣介質(zhì)有較深的插痕(孔學(xué)東,恩云飛主編的電)偏離的半圓夾片根部有裂紋(孔學(xué)東,恩云飛主編的電)半圓片裂紋斷面(孔學(xué)東,恩云飛主編的電) 蠕變-材料在長時間恒溫、恒壓下，即使應(yīng)力沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度，也會慢慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象蠕變導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂 脆性斷裂 當(dāng)應(yīng)力超過某一值時，陶瓷、玻璃和硅等脆性材料易

12、發(fā)生脆性斷裂。斷裂一般發(fā)生在有初始裂紋和刻痕的地方，當(dāng)原有裂紋擴(kuò)展到器件的有源區(qū)時，器件將失效。 塑性變形 當(dāng)應(yīng)力超過材料的彈性限度或屈服點(diǎn)時，將發(fā)生塑性變形(永久)： 金屬：電阻升高或開裂 陶瓷等脆性材料：開裂 MEMS系統(tǒng)：影響精度甚至不能正常工作 封裝界面層分層 -粘連在一起的不同層之間出現(xiàn)剝離或分離的現(xiàn)象 原因：表面缺陷 表面存在水汽和揮發(fā)物 材料不均或表面粗糙等 塑封件因熱膨脹系數(shù)不同，溫度變化大時會出現(xiàn)； 塑封件因吸收過多潮氣，在受熱例如焊接過程中出現(xiàn)分層(爆米花現(xiàn)象)； BGA封裝中，模塑料與基體界的界面及粘膠處易發(fā)生水汽爆裂。 應(yīng)力遷移(Stress Migration) 引子

13、：銅互連替代鋁互連，雖然銅的電阻率較低，抗電遷移和應(yīng)力遷移能力強(qiáng)，但應(yīng)力遷移誘生空洞，導(dǎo)致電阻增大甚至完全斷裂 出現(xiàn)條件：應(yīng)力梯度絕緣介質(zhì)與銅之間的熱失配所致 位置：通孔和金屬連線邊緣等應(yīng)力集中區(qū)域 影響因素：應(yīng)力、應(yīng)力梯度、互連結(jié)構(gòu)、工作溫度、金屬介質(zhì)界面粘附性、互連材料的微觀結(jié)構(gòu)銅導(dǎo)線上的應(yīng)力遷移空洞2.電致失效 電遷移(Electronic Migration) 強(qiáng)電流經(jīng)過金屬線時，金屬離子等會在電流及其他因素相互作用下移動并在線內(nèi)形成孔隙或裂紋的現(xiàn)象原因：電場作用下金屬離子擴(kuò)散所致，不同材料機(jī)制不同：焊點(diǎn)：晶格擴(kuò)散鋁互連線：晶界擴(kuò)散銅互連線：表面擴(kuò)散驅(qū)動力：電子與離子動量交換和外電場產(chǎn)

14、生的綜合力、非平衡態(tài)離子濃度產(chǎn)生的擴(kuò)散力、機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力影響因素： 幾何因素：長度、線寬、轉(zhuǎn)角、臺階、接觸孔等 材料性質(zhì)：銅最好、鋁較差、鋁銅合金介于其中金屬遷移 失效模式：金屬互連線電阻值增大或開路 失效機(jī)理：電子風(fēng)效應(yīng) 產(chǎn)生條件：電流密度大于10E5A/cm2 高溫 糾正措施：高溫淀積，增加鋁顆粒直徑，摻銅，降低工作溫度，減少階梯，銅互連、平面化工藝 互連線和焊點(diǎn)的電遷移 閂鎖效應(yīng)(Latch-up)-寄生PNPN效應(yīng)由于MOS管存在寄生晶體管效應(yīng)(CMOS管下面會構(gòu)成多個晶體管，它們自身可能構(gòu)成一個電路)，若電路偶然出現(xiàn)使該寄生晶體管開通的條件，則寄生電路會極大影響正常電路的動作，使原

15、MOS電路承受大于正常狀態(tài)很大的電流，可使電路迅速燒毀。閂鎖狀態(tài)下器件在電源與地之間形成短路，造成大電流、過電應(yīng)力和器件損壞通信接口集成電路的閂鎖失效(例子3-2)(孔學(xué)東,恩云飛主編的電)現(xiàn)象：信號通訊異常 熱載流子效應(yīng)(Hot Carrier Injection 柵極電壓Vg小于漏極電壓Vd時，柵極絕緣膜下的溝道被夾斷，漏極附近電場增高； 源極流經(jīng)此區(qū)的電子成為熱電子，碰撞增多-漏極雪崩熱載流子； 注入柵極二氧化硅膜中，使其產(chǎn)生陷阱和界面能級，閾值電壓增加，氧化層電荷增加或波動不穩(wěn)，器件性能退化 與時間相關(guān)的介質(zhì)擊穿(Time Dependent Dielectric Breakdron)擊穿模型：I/E(空穴擊穿)，E(熱化學(xué)擊穿)I/E模型：電子穿越氧化膜產(chǎn)生電子陷阱和空穴陷阱+電子空穴對空穴隧穿回氧化層，形成電流空穴易被陷阱俘獲在氧化層中產(chǎn)生電場缺陷處局部電流不斷增加，形成正反饋陷阱互相重疊并連成一個導(dǎo)電通道時，氧化層被擊穿。 E模型： 熱動力學(xué)過程，處于熱應(yīng)力和外加電場下的偶極子相互作用破壞了Si-O鍵而產(chǎn)生擊穿。RTEEsae