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半導(dǎo)體器件可靠性與失效分析

一、元器件概述
1、元器件的定義與分類

  • 定義：

歐洲空間局ESA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方法》中的定義：在電子線路或電子設(shè)備中執(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》)

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  • 電阻

最可靠的元件之一
失效模式：開路、機(jī)械損傷、接點損壞、短路、絕緣擊穿、焊接點老化造成的電阻值漂移量超過容差
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  • 電位器

失效模式：接觸不良、滑動噪聲大、開路等
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  • 二極管

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  • 集成電路

失效模式：漏電或短路，擊穿特性劣變，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動的現(xiàn)象；變形、空洞；

  • （3）微粒污染----阻礙器件的機(jī)械運動；

  • （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)抽成真空，殘余氣體壓力為10-4～10-8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：

  • 實現(xiàn)直流電能和電磁振蕩能量之間轉(zhuǎn)換的靜電控制電子管；

  • 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；

  • 利用聚焦電子束實現(xiàn)光、電信號的記錄、存儲、轉(zhuǎn)換和顯示的電子束管；

  • 利用光電子發(fā)射現(xiàn)象實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的光電管；

  • 產(chǎn)生X射線的X射線管；

  • 管內(nèi)充有氣體并產(chǎn)生氣體放電的充氣管；

  • 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，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
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：

  • 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：氧化物針孔等點缺陷，不可完全消除，損失的成品率更高。

  • 點缺陷：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、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)于混合集成電路：
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：充分利用半導(dǎo)體集成電路和膜集成電路各自的優(yōu)點，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：
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第三章 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(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))
2、微電子的失效機(jī)理
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（1）熱/機(jī)械失效

  • 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)，造成互連焊點變形，最終產(chǎn)生裂紋
失效分析例子——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)前插拔力檢驗合格
失效模式：接觸不良
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半圓弧夾片明顯偏離
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插孔周邊絕緣介質(zhì)有較深的插痕
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偏離的半圓夾片根部有裂紋
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半圓片裂紋斷面
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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
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蠕變導(dǎo)致焊點斷裂

  • 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：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)
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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：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)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
（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(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
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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(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。
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3、電化學(xué)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(yù)防銀遷移的方法：
使用銀合金；
在布線布局設(shè)計時，避免細(xì)間距相鄰導(dǎo)體間的電流電位差過高；
設(shè)置表面保護(hù)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(xué)反應(yīng)
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混合集成電路的電化學(xué)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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