微电子学概论第七章可靠性技术

IntroductiontoMicroelectronics第七章可靠性技术失效模式失效机§7.1失效模式和失效机理§7.2可靠性设计技术§7.3可靠性评价技术§7.4失效分析技术§7.5可靠性实验技术第七章可靠性技术¦随着科学技术的迅猛发展，无论是军事装备还是民用系统，其性能越来越先进，结构越来越复杂，使用环境要求越来越严格，因此对电子产品的质量和可靠性的要求也越来越高从而对每个产品中使用的品种繁多的电子元器件的可靠性的要求也越来越高，从而对每个产品中使用的品种繁多的电子元器件的可靠性提出了更高的要求。¦质量和可靠性工作是关系到国民经济发展的大事质量和可靠性是密不可分的¦质量和可靠性工作是关系到国民经济发展的大事，质量和可靠性是密不可分的，有高的质量才有高的可靠性，而可靠性的提高反过来又促进了质量的发展。¦电子元器件是武器装备的重要基础和战略资源武器装备的性能质量和可靠¦电子元器件是武器装备的重要基础和战略资源，武器装备的性能、质量和可靠性与电子元器件紧密相连。1957年，美国发射“先锋号”卫星，由于一个价值2美元的器件出了故障，造成3220美元的损失；1971年，前苏联三名宇航员在“礼炮号”飞船中由于一个部件失灵而丧生；1986年1月28日，美国航天飞机“挑战者号”起飞76秒后爆炸，原因是一个密1986年1月28日，美国航天飞机挑战者号起飞76秒后爆炸，原因是个密封圈不密封，结果7名宇航员丧生，直接经济损失12亿美元；1991年，我国“澳星”发射失败，也是由于一个小小的零件发生故障，造成大的济损失和政治影响巨大的经济损失和政治影响。第七章可靠性技术¦重视可靠性工作，提高电子元器件的可靠性，是电子装备高可靠性水平的保障，高质量、高可靠性的军用电子元器件在现代航天、航空、航海和武器装备中起着保证和决定性的作用。¦可靠性包括的范围很广，从产品的研制过程来说，包括产品开发研究、设计、制造、包装、储存、运输和使用维修等各个环节，与产品的结构、材料、加工工艺、使用环境等条件密切相关。¦随着电子产品向高新技术方向发展，不管用于军事或民用，用户对其可靠性指标的要求越来越严格，使用环境也越来越严酷，迫使可靠性技术必须要有相应的发展发展。¦20世纪90年代以来出现了重要转折，就是变被动的“事后检测”为主动的“事前预防”提出了“内建可靠性”的思想完成这转折所依靠的可靠性技术就前预防，提出了内建可靠性的思想，完成这一转折所依靠的可靠性技术，就是从研究产品的失效机理和失效模型，进行针对失效机理的可靠性设计，利用评估电路结构和评估技术，进行可靠性试验和失效分析，验证和提高产品的可靠性水平。第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X失效模式€微电子器件性能发生急剧或缓慢的变化，这些变化达到一定的程度，器件不能常作这种象称为失效失效模式指失效的表形式般指微电失正常工作，这种现象称为失效。失效模式是指失效的表现形式，一般指微电子失效的状态，如开路、短路、漏电和参数漂移等¦失效模式有几种不同的分类方法。¦按失效的持续性分类可分为致命性失效间歇失效和缓慢退化¦按失效的持续性分类，可分为致命性失效、间歇失效和缓慢退化。Œ微电子器件功能完全丧失的失效现象叫致命性失效。根据失效物理的应力-强度模型，产品所受应力超过其极限强度，产品功能完全消失，不能自行恢复。致命性失效事先无任何征兆，具有突发性特点，如电子元器件的过电烧毁现象。Œ由于接触不良等原因，微电子器件性能时好时坏的失效现象称间歇失效。如微电子器件的输出电压时有时无的现象。第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X失效模式Œ微电子器件的性能随使用或存储时间的推移逐渐劣化的现象称缓慢退化。根据失效物理的应力-时间模型（又称反应论模型），产品失效是一个缓慢的过程。由于产品所受应力的时间累积效应，产品发生化学反应，微观结构发生变化。当变化达到一定程度，产品失效，如半导体器件的欧姆接触电阻增大、MOS器件与时¦按失效的时间分类可分为早期失效随机失效和磨损失效早期失效主要是由化达到定程度，产品失效，如半导体器件的欧姆接触电阻增大、MOS器件与时间有关的介质击穿（TDDB）、功率半导体器件的输出功率逐渐下降等现象。¦按失效的时间分类，可分为早期失效、随机失效和磨损失效。早期失效主要是由设计不良、工艺缺陷、原材料缺陷、筛选不充分引起。随机失效主要由静电放电（ESD）损伤、过电应力（EOS）损伤引起。磨损失效主要由产品自然老化引起。¦按电测结果分类，可分为开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效。第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X失效模式微电子器件主要失效模型和失效机理第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X失效的物理模型Œ微电子器件为什么失效？为了从理论上回答这个问题，不同研究人员提出了不同的物理模型其中被广泛接受的两种模型是应力强度模型和应力时间模型同的物理模型，其中被广泛接受的两种模型是应力—强度模型和应力—时间模型。Æ应力—强度模型认为，产品失效是由于产品所受应力超过其极限强度。其中，产品的极限强度会随时间的推移逐渐下降。这个模型可解释过电应力损伤、静电放电损伤、CMOS电路的闩锁效应等失效现象。Æ应力—时间模型认为，产品失效是一个缓慢的过程。由于产品所受应力的时间累积效应，产品发生化学变化，微观结构发生变化，当变化达到一定的程度，产品失效。这个模型可以解释半导体器件的欧姆接触电阻增大、功率半导体器件的热疲劳现象。第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X失效机理的概念和种类€失效的物理和化学过程称为失效机理。如引起VLSI金属化互连线开路的种失效机理叫金属电迁移其物理和化学如引起VLSI金属化互连线开路的一种失效机理叫金属电迁移，其物理和化学过程是：由于VLSI线宽小、电流密度大，通电过程中金属化互连线中的电子与金属离子发生动量交换，金属发生质量输运，质量缺损的部位出现开路。¦根据失效的两种物理模型，微电子器件失效是由于微电子器件在工作、存放或环境试验过程中受到环境和应力的作用，微观结构发生变化。因此，失效的物理和化学过程是由环境和应力诱发的环境和应力包括温度湿度电机械等和化学过程是由环境和应力诱发的。环境和应力包括：温度、湿度、电、机械等。此外，时间也是诱发失效的因素。¦微电子器件的失效机理大致可分为三类：¦微电子器件的失效机理大致可分为三类：¦设计失误、材料和工艺不良引起的失效过程，如封装不良引起的漏气、颗粒引起的短路等。起的短路等。¦应力超过元器件极限强度的快速失效过程，如过电烧毁、静电损伤、闩锁等。¦应力时间累计效应引起的缓慢失效过程如金属电迁移金属电化学腐蚀等¦应力时间累计效应引起的缓慢失效过程，如金属电迁移、金属电化学腐蚀等。第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X失效模式和失效机理之间的关系€微电子器件的失效模式和失效机理有明显的相关性，但无一一对应的关系，每种失效模式可能有多种失效机理一种失效模式可能有多种失效机理。¦开路的可能失效机理有：过电烧毁、静电损伤、金属电迁移、金属的电化学腐蚀、压焊点脱落、塑料封装受水汽和高温作用引起的形变、CMOS电路闩锁效应。¦漏电和短路可能的失效机理有：颗粒引发短路、介质击穿、氧化层针孔、PN结等离子击穿、Si-Al互溶、过电应力或静电放电损伤引起的金属热电迁移等。¦参数漂移的可能失效机理：封装内水汽凝结、介质的离子沾污、欧姆接触退化、¦参数漂移的可能失效机理：封装内水汽凝结、介质的离子沾污、欧姆接触退化、金属电迁移、辐射损伤、静电放电损伤等。每种失效机能有多种失效模式如极件的钠离沾的失效模式¦每一种失效机理可能有多种失效模式。如双极型器件的钠离子沾污的失效模式有：反向漏电流增加、反向击穿电压下降、反向击穿电压不稳定等。第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X失效机理Æ微电子器件（包括分立半导体器件和集成电路）的主要失效模式是开路、短路和电参数漂移。Æ微电子器件主要的失效机理有：过电应力损伤、静电放电损伤、封装失效、引线微电子器件主要的失效机理有过电应力损伤静电放电损伤封装失效引线键合失效、金属电迁移、金属腐蚀、颗粒引起短路、钠离子沾污、氧化层针孔、芯片断裂、芯片粘接失效等。Æ随着如Si、SiGe、GaAs、InP等半导体材料的不同和CMOS、双极、HEMT、HBT等器件结构不同，器件失效机理各不相同，这里仅讨论Si器件。HBT等器件结构不同，器件失效机理各不相同，这里仅讨论Si器件。第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X主要失效机理分述1)过电应力（EOS）损伤：包括静态电源电流下降、端口对地端开路或电阻增大、端口对地短路或反向漏电流增大等端口对地短路或反向漏电流增大等。EOS损伤的失效机理是：有电感负载的供电电源或电子设备处于开关瞬间，交流电源的电压不稳定或接地不良操作失误器件或电源反接以及发生雷击的情况电源的电压不稳定或接地不良，操作失误，器件或电源反接以及发生雷击的情况下，微电子器件受到随机的短时间高电压或强电流冲击。这时的瞬时功率远超额定功率，引起器件内部发生EOS损伤。发热是EOS损伤的主要特征，打开封装后用光学显微镜可观察到。EOS损损伤引起的的金属热电金属互连线发热烧毁和开路电迁移第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X主要失效机理分述2)静电（ESD）放电损伤：静电放电会造成介质层、PN结和金属化互连线的潜在或明显的损伤潜在损伤有累积性严重影响元器件寿命或明显的损伤。潜在损伤有累积性，严重影响元器件寿命。常见的静电放电现象包括：①人员行走和操作过程中，鞋与地板、外衣与内衣可发生摩擦起电器件芯片发生感应起电人体接触接地器件发生静电放电②带发生摩擦起电，器件芯片发生感应起电。人体接触接地器件发生静电放电。②带电物体接近接地不良的测试仪器，仪器金属外壳发生感应起电。仪器接触接地器件发生静电放电。③陶瓷或塑料封装器件在运输过程中发生摩擦起电。等等。不同的静电放电应采用不同的防范措施：①带电人体对地器件接触放电，防范措施：防静电手镯防静电服装防静电地板②接地不良的仪器感应起电防范措施：防静电手镯，防静电服装，防静电地板。②接地不良的仪器感应起电防范措施有：仪器接地、电烙铁接地。③器件封装摩擦起电防范措施有：用导电塑料盒或防静电塑料袋作器件载体。第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X主要失效机理分述3)封装失效机理：水汽和有害气体对内部芯片的性能有重要影响。水汽与金属和半体反应会产生氢气封装在管壳内的水汽受热膨对芯片产生应力会引半导体反应会产生氢气，封装在管壳内的水汽受热膨胀，对芯片产生应力，会引起电参数漂移、芯片断裂、内引线断裂、芯片与封装之间的断层。封装内部水汽和有害气体主要来源于三个方面：①封装工艺缺乏防潮措施；②封封装内部水汽和有害气体主要来源于三个方面：①封装工艺缺乏防潮措施；②封装外壳泄漏；③封装材料吸收和放出水汽及有害气体。4)引线键合失效机理：金—铝键合失效表现为金内引线与芯片上的铝层压焊点之)引线键合失效机铝键合失效表现为内引线与片的铝层压焊点间形成金属间化合物，典型的如俗称白斑的Au2Al，导致接触不良或引线脱落；也会由于金—铝原子互扩散系数不同，在金—铝界面会形成可肯德尔（Kirkendal）空洞引起压焊点开路空洞，引起压焊点开路。上述两种失效都是在高温下发生的，因此，金—铝键合的器件应避免在高温度下使用和试验为避免金键合采用铝铝键合或无线键合使用和试验。为了避免金—键合，可采用铝—铝键合或无线键合。第七章可靠性技术§7.1失效模式和失效机理X主要失效机理分述5)金属—半导体接触的失效机理：可分为退化和致命性失效两种。退化的主要失效模式是欧姆接触电阻增大。主要失效机理是器件工作时发热升温，导致金属—半导体原子相互扩散；水汽和杂质的侵蚀会导致金属—半导体界面的化学腐蚀作用。这两种情况都会引起金属—半导体接触退化。致命性失效的模式是PN结穿钉效应，这是由于金属—致命性失效的模式是PN结穿钉效应，这是由于金属半导体间有一层绝缘的自然氧化层，由于半导体表面不平坦，自然氧化层厚度不均匀，电流集