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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）

微電子封裝技術與失效

1、微電子封裝的分級：
? 零級封裝：通過互連技術將芯片焊區與各級封裝的焊區連接起來；
? 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(系統級封裝)：將二極封裝產品通過選層、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，構成完整的整機系統(立體組裝技術)
2、微電子的失效機理
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（1）熱/機械失效

  • 脆性斷裂

當應力超過某一值時，陶瓷、玻璃和硅等脆性材料易發生脆性斷裂。斷裂一般發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時，器件將失效。

  • 應力遷移(Stress Migration)

引子：銅互連替代鋁互連，雖然銅的電阻率較低，抗電遷移和應力遷移能力強，但應力遷移誘生空洞，導致電阻增大甚至完全斷裂
出現條件：應力梯度—絕緣介質與銅之間的熱失配所致
位置：通孔和金屬連線邊緣等應力集中區域
影響因素：應力、應力梯度、互連結構、工作溫度、金屬介質界面粘附性、互連材料的微觀結構
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銅導線上的應力遷移空洞
（2）電致失效

  • 電遷移(Electronic Migration)

強電流經過金屬線時，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形成孔隙或裂紋的現象
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
驅動力：電子與離子動量交換和外電場產生的綜合力、非平衡態離子濃度產生的擴散力、機械應力、熱應力
影響因素：
幾何因素：長度、線寬、轉角、臺階、接觸孔等
材料性質：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
? 產生條件：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(Latch-up)----寄生PNPN效應
由于MOS管存在寄生晶體管效應(CMOS管下面會構成多個晶體管，它們自身可能構成一個電路)，若電路偶然出現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很大的電流，可使電路迅速燒毀。
閂鎖狀態下器件在電源與地之間形成短路，造成大電流、過電應力和器件損壞
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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(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；
源極流經此區的電子成為熱電子，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，器件性能退化
（6）與時間相關的介質擊穿(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，處于熱應力和外加電場下的偶極子相互作用破壞了Si-O鍵而產生擊穿。
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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向陰極區遷移的電解過程。
現象：橋連區的泄漏電流增加，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；
在布線布局設計時，避免細間距相鄰導體間的電流電位差過高；
設置表面保護層；
清洗助焊劑殘留物
? 腐蝕
出現條件：封裝內存在潮氣和離子沾污物
本質：電化學反應
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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
? 優點：提高結合力  
? 缺點：過量的金屬間化合物會使局部脆化
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