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Time： 2020-10-16  韋克威科技

電子元器件的可靠性與失效分析（三）

微電子封裝技術(shù)與失效

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。
? 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)成完整的整機系統(tǒng)(立體組裝技術(shù))
2、微電子的失效機理
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（1）熱/機械失效

  • 脆性斷裂

當應(yīng)力超過某一值時，陶瓷、玻璃和硅等脆性材料易發(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，當原有裂紋擴展到器件的有源區(qū)時，器件將失效。

  • 應(yīng)力遷移(Stress Migration)

引子：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，但應(yīng)力遷移誘生空洞，導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)
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銅導線上的應(yīng)力遷移空洞
（2）電致失效

  • 電遷移(Electronic Migration)

強電流經(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散所致，不同材料機制不同：
焊點：晶格擴散
鋁互連線：晶界擴散
銅互連線：表面擴散
驅(qū)動力：電子與離子動量交換和外電場產(chǎn)生的綜合力、非平衡態(tài)離子濃度產(chǎn)生的擴散力、機械應(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
（3）金屬遷移
? 失效模式：金屬互連線電阻值增大或開路
? 失效機理：電子風效應(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
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互連線和焊點的電遷移
（4）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
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通信接口集成電路的閂鎖失效
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（5）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
（6）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電通道時，氧化層被擊穿。
E模型：熱動力學過程，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。
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3、電化學失效
? 金屬遷移----從鍵合焊盤處開始的金屬枝晶生長，是一金屬離子從陽極區(qū)向陰極區(qū)遷移的電解過程。
現(xiàn)象：橋連區(qū)的泄漏電流增加，甚至短路
遷移離子：Ag,Pb,Sn,Au,Cu
預防銀遷移的方法：
使用銀合金；
在布線布局設(shè)計時，避免細間距相鄰導體間的電流電位差過高；
設(shè)置表面保護層；
清洗助焊劑殘留物
? 腐蝕
出現(xiàn)條件：封裝內(nèi)存在潮氣和離子沾污物
本質(zhì)：電化學反應(yīng)
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混合集成電路的電化學腐蝕
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? 金屬間化合物
? 優(yōu)點：提高結(jié)合力  
? 缺點：過量的金屬間化合物會使局部脆化
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