微电子可靠性工程 第5章_图文

1、第五章 微电子器件的可靠性问题 -电极系统 及封装的失效机理5.1 铝的电迁移实践中发现,通电铝条中的铝离子会沿电子流传输,这种传输在高温、 大电流密度下更加明显。铝离子传输,在几小时到几百小时后,铝条就会 产生空洞,并聚集而造成断路,这就是电迁移现象,或称电迁徙、电徒动。 在一定温度下,铝膜中存在一定平衡浓度的空位,由于铝离子的热振动, 使其从正常晶格位置上激励到邻近空位中,产生铝离子自扩散。在无外场 作用时,铝离子受到两种力的作用:a .库仑场对铝离子施加一个与电子流相反的库仑作用力,即由正 极招向负极;b. 导电电子与铝离子相碰时,发生动量交换.使铝离子受到一 个与电子流方向相同的力,即

2、由负极指向正极。由于电子的屏蔽作用,库仑场对铝离子作用力很小。因此通电铝膜 中的铝离子主要受到电子流对它的作用力,结果使铝离子与电子流一样 朝正极移功,相应所产生的铝离子空位向负极移动。这样就造成了净质 量传输。这些铝离子移动的结果,久而久之,顺电子流力向的末端会形 成铝原子堆积产生小丘或晶须;而另一端空位聚集形成空洞,使铝膜断 开。 图 6.1 为高频功率管经电迁移后的失效照片。铝条因电迁移而达到断线的平均失效时间 MTF 可用下式表示:式中, A 为铝条横截面面积; J 为电流密度 (A/cm2 ;为原子迁移激活能 (ev; T 为金属条温度 (K; K 为玻兹曼常数 8. 62×

3、;10(ev/K ; C 为与金属条密度、 电阻率、晶粒大小、离子质量、几何尺寸等有关的因子, C 与由实验数据确定。 由公式 (6.1可得下述几个结论:(1 MTF与电流密度平方成反比,与温度倒数成指数关系,所以电迁移与 J 、 T 较 敏感。(2 在 J 、 T 一定时,提高激活能、降低常数 C ,增加金属条面积 A .均可使 MTF 提高。(3 材料不同,扩散方式则不同,激活能也就不同。由于金的激活能比铝大,所 以金系统比铝系统 MTF 大。另外,在功率集成电路和大功率硅晶间管 KP500A /2500v 中, 发现铝离子迁移沿着电场力向,即逆着电子流方向辽移。晶 间管在 2000h 长

4、期通电和断续负荷 2万次寿命试验中,发现阳 极蒸铝膜、蒸金膜迁移到阴极镀银铜块上。功率集成电路中, 发现在 SiO2层底下顺着电场方向堆积铝粒子。2.电迁移引起的器件失效形式(1短路a .电迁移使发射极末端积累铜粒子,使 EB 结短路,如前 述图 6.1所示,这对套刻间距小的微波功率管容易发生;b .电迁移产生的晶须使相邻两个铝条间短路.这对相邻铝条 间距小的超高频器件、大规模集成电路容易发生;c 集成电路中铝条电迁移后与有源区短接,多层布线上下层铝 条电迁移形成晶须而短接;d .晶须与器件内引线短接。(2断路a .正常工作温度下,铝条承载电流过大,特别是铝条划伤 后,电流密度更大,使铝条断开

5、。尤其是大功率管,在正 常结温 (150 时,往往工作几百小时后因电迁移而失效。 b .压点处,因接触面积小,电流密度过大而失效。c .氧化层台阶处,因电迁移断条。通过氧化层阶梯的沼条 在簿氧化层上散热好,温度低,而在厚氧化层上散热差, 温度高,所以当电子流沿着铝条温度增加方向流功时,就 会出现铝原子的亏空,形成宏观的空隙。(3参数退化电迁移特影响器件性能稳定。例如,品体管 EB 结的退化。3 提高金属化系双抗电迁移能力的措施(1合理设计器件和集成电路a.降低电流密度设计时注意台阶处电流密度不宜过大,器件与电路中 通常设计铝膜中J<2×105A/cm2;尽可能增加金属膜 厚度和

6、宽度,以增加器件导电截面积,降低电流密度; 对于需要窄金属条的场合,一定要用增加厚度,减少 电流密度;高频功率管中采用覆盖式、网格状、菱形 比梳状好,集成电路中,J大的引出线、发射极布线、 接地布线与金属条等,应适当放宽。b.阶低结温,增加散热温度升高,MTF呈指数哀减,结温和散热直接影响 MTF值。高频功率管采用多基区并联(即多有源区,增 大芯片面积是有利于散热的措施。加大发射极镇流电 阻,采用输入匹配网络等技术是防止热不均匀性的良 好方法。集成电路除采用分散有源器件外,应选择合 理封装工艺,以利散热、降低芯片温度。(2严格控制制造工艺,加强检测避免金属膜划伤、采用干法工艺,激光划片等;加强

7、镜检, 剔除划伤金属膜厚度并进行检测;保证烧结质量,减少因 接触不良和压偏造成热阻增加。(3改进金属化系统改进金属化系统有如下几种途径:a. 在铝系统中加入少量抗疲劳杂质(硅、铜,形成铝合金;b. 改变晶粒大小或在铝上加钝化膜,以改变常数 C 。c. 采用金或铝的多层金属系统。改进的铝系统a .铝合金ALCu 合金抗电迁移能力强,硬度大,不易划伤,抗再结构方 面也比纯铝好,适合于大规模集成电路多层布线工艺。ALCu 合金的 MTF 值比铝高,是因为铝膜中加入铜后,在铝的 点阵中含有 CuAL2粒子,它作为空穴陷阱,使晶体中空位数目 减少,只有当 CuAL2粒子耗尽之后,空位才能聚集形成可见的

8、空洞。同时金属吸附在铝晶粒间界处,大大降低该处空位浓度, 使晶间扩散受到阻碍。如含 4%Cu的 Al-Cu 合金, MTF 值可提高 70倍。又如,采用含铜 5-8%的 Al-Cu 合金,在 9X104A/CM2的 电流密度 900温度下,工作 4000小时,失效率为 0.08%/1000h, MTF 值比钝铝高 1.5倍。ALCu 合金存在两个缺点:a. 用于浅结器件和电路时,会 产生铜结中毒。铜结中毒是指器件或电路在功率老化时, 铜离子在电场作用下发射结漂移引起击穿特性变软,甚 至短路。 b. Al-Cu合金共晶温度低,仅 548(含 33%Cu重量百分 27.3%Cu原子百分比,含 4%

9、Cu的 A1Cu 合 金,在 550下处理 10min ,合金经液相而又重新凝固, 致使在接触窗口处膜层出现不均匀状态或球化现象。所 以采用 A1Cu 合金,在蒸发工艺后,为避免上述现象发 生,高温处理应低于 500。另外,采用 AL-4% Cu-2%Ni1.5%Mg(重量百分比 比 AL-4%Cu(重量百分比 的 MTF 值高 20倍多。前者在 I 75, 电流密度在 4×106A /cm2下 MTF =5600 h; 而后者在相 同条件下 MTF=270h。AL-Si 合金不仅 MTF 使高,而且硬度比纯铝高 1倍,同时对硅 不产生蚀坑。如含 1.8%硅的铝 硅合金比纯铝的 MT

10、F 高 1个数量级。又如, 5400系列 TTL 中规模集成电路采用含 2%硅的铝布线,在给定的温度、 MTTF 下,可使 J 增大 3倍。 有些厂家制造浅结器件采用合 l-3%硅的 ALSi 合金,避免 在欧姆接触处产生铝 硅共熔,使其下面或邻近区域发生 EB 结短路。在铝中加入硅后,可以满足硅在铝中的固溶 液,以减少欧姆接触处硅的溶解。A1Si 合金件金属化层产生电迁移的原因:在低于 210的 正常工作条件下,电迁移主要在铝的晶粒间界发生,失效 是由于铝离子在铝晶体中迁移,使铝合金中生成空隙而开 路,激活能是 0.54eV 。温度升高时,硅在铝中通过位错而 产生了电迁移,激活能为 0.89

11、eV 。b .铝多层金属化为克服铝合金缺点,采用铝多层金属化以提高可靠性。 例如,超高频功率管采用 NiCr(AL-Cu双层结构,硅 微波低噪声管采用 PtMOA1多层结构。金为基础的多层金属化以金为基础的多层金属化系统,抗电迁移能力和化学腐 蚀能力较强。按其作用功能大体可分为四层:欧姆接触 层,粘附层,过渡层;导电层。a.欧姆接触层 它是直接与硅芯片接触的,要求与 n型或P型硅都能形成良好的欧姆接触,性能稳定,不与硅、 上层金属形成高阻化合物。常用的金属有钛、铂、钯、铝 等。欧姆接触层一般只需几十纳米。目前用得较多的是铂, 铂硅台金的优点是:当温度超过组装工艺中的温度时, 器件仍能稳定工作,

12、且提供了一种适合于多种金届的良好 的欧姆接触。b. 粘附层 若欧姆接触层材料 (如铂 与 SiO2粘附不好,还需 要加上粘附层,把欧姆接触层与 SiO2、上层金属粘合起 来,以便在 SiO2上形成牢固的引线键合点和集成电路的 内引线互联。常用的金属有钛、锆、铬、铝等。粘附层 约几十纳米厚。c .过渡层 一方面用来阻挡上层的金属透过粘附层与硅 合金形成化合物;另一方面要阻挡导电层与下层金属 产生高阻化合物,且要求它与上下层接触电阻小,针 孔少。常用铂、钯、钨、镍、镍 -铬等材料。过渡层应 足够厚,一般为 100-200Nm ,才能防止扩散。若过渡 层工艺控制不当,将导致器件失效。例如,氧化层与

13、金届膜未对准,使导体金属进入有源区;若过渡层初 始不够完善,以后工序使其密度、相发生显著变化, 导致过渡层龟裂或翘起。d .导电层 导电层是金属,位于多层金属的最上层,直 接与内引线键合。导电层应稳定性好,电阻率低以及利 于压焊。金与二氧化硅粘附差,与硅的共熔温度低 (370 ,故它不能象铝那样单独作为电极使用。由于 它的抗电迁移能力与稳定性比铝好,所以在多层电极中 用作导电层是很合适的。作梁式引线用的四层结构(Pt5Si2-Ti-Pt-Au系统是 个典型例子。Pt2Si5是欧姆接触层,与重掺杂n-Si和P Si都能形成良好的姆欧接触层;Ti是粘附层;Pt是过渡层; Au是导电层。金多层金属结

14、构还有Ni-Cr-Au(用于微波功 率集成电路、Ti-Pt-Au(用于同轴微波功率管、Ti-Au(用于硅雪崩二极管、A1NiAu(用于微波管等。对 于A1NiAu系统A1为欧姆层,Ni为过渡层和粘附层,金 为导电层。采用这种系统制造出截止频率为5.5GHz的微波 管,结深为0.2um,EB结特性良好。就抗电迁移而言,Au 膜比铝膜好得多,试验结果如表6.1。由表6.1可见,金多层金属膜的MTF值都比铝膜高。当电流密 度增高时,纯铝膜的MTF值下降得快;而金层膜下降得慢。 所以,电流密度越高,金的多层金属膜的优越性越明显。 此外,征低频高反压器件中,采用银为基础的 Cr(TiNiAg(Au、 C

15、rCrAgAg 背面三履金属化组合取得良好的效果。 关于电迁移现象,必须指出以下几点:a .任何一种措施都不 能完全消除金属膜的电迁移,因为电子与金属离子之间的相互 作用总是存在的; b .只要设计上、工艺上充分注意,金属膜 的电迁移可以限制在许可范围内; c .无论是采用铝合金还是 金的多层金属膜,抗电迁移能力可大大提高;但究竟采用何种 金属化系统,要结合具体器件和工艺条件而定。5.2 芯片焊接失效机理芯片焊接是把芯片牢固地粘结在管座是。对于硅 平面管,衬底硅兼作集电极,故而要求管芯与底座形 成欧姆接触,并有良好的导电性能。粘结的方法有银 浆粘结、合金烧结、导电胶粘结、环氧树脂粘结以及 高温

16、聚酰亚胺胶粘结。一、银浆粘结银浆粘结不牢固、不稳定,在 20000g 离心试验下 大量脱落,严重影响可靠性。但是出于其成本低,使 用方便,目前工厂中在中、小功率管和微波低噪声管 上仍然使用。归纳起来,银浆粘结的失效机理如下: (1内部有孔洞或银被氧化,造成 VCES 增大、不稳定。 其原因为器件收集极面积小、倾斜,使银浆外流;配 方不当,还原剂提前挥发,使银氧化成黑色;烘干速 度太快;氧化银未充分还原等。(2含有较多与集电极材料反型的杂质,产生接触势垒, 引起接触电阻增大。(3若硅被氧化成 sio2,然后镀镍、蒸金、蒸镜等均会引 起接触势垒增加。(4硅片背面蒸 Au ,然后银浆烧结,由于硅片背

17、面 Au-Si 合 金与多孔性银浆粘合力差,经过烧结和高温贮存后, 其界面处形成 Au-Si-Ag 三元系统电性能、机械性能不 稳定,接触不良, VCES 变化。二、合金粘结1.合金材料的要求合金材料用作管芯和管座焊接的焊剂。管芯焊接常用 “ 钎焊 ” ,其合金材料可分为锡基合金、银基合金、金基合金 等。锡基合金(Pb-Sn 在硅二极管、晶闸 Guantanamo 、硅 大功率三极管中使用较多,优点是熔点低(<300c,质地 软、成本低;缺点是合金中锡不稳定, 40c 下形成 “ 灰锡 ” 。 因此高可靠器件,一般用银基或金基合金材料。这两种材料 的缺点是熔点高、质地硬,为了防止芯片和金

18、属底座间因膨 胀系数不同而损坏管芯,在功率器件中,硅片同底座之间, 除了作焊接的合金片外,常常还用镀或镀 Ni 的 Mo 片作过渡 层,对热应力起缓冲作用。表 6.2为合金材料的举例。 合金构料除作焊剂外,有时还兼作欧姆接触,其 要求为:a. 合金材料熔点必须低于 Pn 结合金材料熔点;b .合金材料熔化后与半导体表面良好小润,避免虚焊;c .具有良好导电、导热性能;d .与半导体和管壳底座材料的膨胀系数相匹配; E. 具有良好的延展性,便于压延成片。2.合金粘结的失效机理(1 AuSb 粘结的芯片,粘结牢固、导电性好,可靠性 较高。失效模式主要是 VCES 增大。其原因为烧结温度 低,底盘不

19、干净,使 AuSb 电沾润不好,形成微裂纹 的蔬松结构,导致 VCES 增加,器件失效。(2PbSn 合金粘结的芯片,主要失效模式为开路,其原 因为 PbSn 合金焊料严重氧化成黑色,且呈疏松粉末 状,甚至使管芯与管座脱离。 PbSn 合金在器件中使 用较多,常用 60su40Pb 。厚膜电路中使用 PbSn 合 金作焊料时,焊接时电路被加热,使其导体中的银成 分与焊料出现扩散现象,这样电路有脱落和熔化的危 险。为控制这种现象,在 PbSn 焊料中渗入 1-2%的银。(3硅片背面蒸 AL 的失效模式是 VCES 增大,其原因在 于铝的易氧化性, AL 与周围气氛中的氧反应,生成不 导电的 AL

20、2O3,引起 VCES 随时间增大而增大。硅片背 面蒸 Au ,较蒸铝为好,但仍有 VCES 较大的缺点,因 金有双重能级的作用。硅背面蒸 AuGa 合金,均匀性 校差,废品率高,其原因是 AuGa 合金穿透氧化层能 力差,这样增加了洼与 AuGa 间的接触电阻,导致 VCES 上升。表 6. 3为芯片焊接失效模式汇总表。 5.3 引线键合的失效机理半导体器件的失效约有 1/3一 l /4是由键合引起的, 故它对器件长期使用的可靠性影响很大。常用的焊接引线 方法有热压键合、超声键合、叩焊 (倒装焊 、集成电路自 动载带键合。键合所用引线对焊接质量影响很大,目前采用较多的 是 A1A1超声焊接。

21、为了便于拉丝和键合,大都采用掺 1%的硅铝丝。出于金丝和铝层电极键合会产生 “ 紫斑 ” 、 “ 白斑。因而尽量避免金 铝系统。一、工艺差错造成失效器件键合的失效中,有一部分是工艺差错造成的。 例如,引线过长,容易碰上裸露芯片而烧毁电路;划 片欠佳,使压焊点太靠近硅片边缘;压焊过重,损伤 引线,容易断线;压焊过轻或铝表面太脏,压点易脱 落;压点压偏造成压点间距太小易成短路;压点处有 过长尾巴,引线过松紧等。 二、金属互化物使AuA1系统失效AuA1系统包括金丝和铝线的键合,或者铝丝与镀金管 服的压焊。由于金、铝两者的化学势不同,在长期使用成贮 存后,它们之间产生五种金民间化合物:AuAl2、A

22、uAl、Au: A1、Au,A12、Au4A1。它们的品格常数、膨胀系数、形成过 程中体权的变化都是不同的,且电导率较低。因此,器件在 长期使用或遇到高温后,在金铝键合处出现键合强度降低、 变肋以及接触电阻增大等情况,导致器件计路和电性能退化。 它们呈现的颜色亦有差别:Au,A1:、A山A1、A山A1呈浅黄 金色;AuAl呈银白色;AuAl:里紫色,常称“紫斑”,是键 合工艺中最常见的失效形式。采用 Au 丝厌悍的 AuA1键合点还有一个失效原 因,即所谓柯肯德尔效应在接触面上造成空洞。这是 在高温时,金向铂中迅速扩散,形成 Au2A1,由于金 的大量移出,造成焊点附近有黑色的环形孔,这样就

23、有可能使焊点周围同铝膜部分全部脱开,导致器件失 效。三、银的迁移造成 pn 结短路银具有良好的导电性和导热性,在氧气中氧化速 度慢,可用电镀法加工处理,焊接性能好等优点,在 半导体器件中广泛使用。在满足特定的条件 (水分、电 压等 下,银会离化并移动,使 pn 结短路、耐压下降。1、银迁移的原理银的迁移可归结为五个步步骤:(1在阳极离子化(2与电力子的水进行反应(3因氢氧化银很不稳定,析出氧化银(4由于不稳定,进一步发生变化(5由于库仑力的作用, Ag+向阴极运动,析出树枝状 Ag2、银迁移使器件失效的实例(1外引线镀 Ag 的塑封装管在外引线全银 Ag 的塑封管中,尽管引线间的距 离足够远,

24、由于器件高耐压特性形成高电场,使树脂 封装引线根部的银,沿着树肥表面发生银迁移而短路。 通常,用户为了提高组装性能,在引线处涂上焊料, 用焊科覆银的部位,但覆盖不完全时,仍然发生银的 迁移。(2凸点镀 Ag 的玻璃封装二极管在玻璃钝化兼封装的二极管中,引线和玻璃之间密封不严 时,水分浸入内部,阳电极的 Ag 发生迁移,使 Pn 结短路,如 图 6. 13所示。改善的办法是选用膨胀系数与玻璃、杜美丝相 匹配的焊料,图 6. 14 为玻璃二极管结构图。四、热循环使引线疲劳而失效硅铝合金丝受到热循环或高低温冲击时,其受热 膨胀,冷却收缩,经过多次反复弯曲致使金属疲劳而 失效。若芯片表面涂有保护胶时,则胶与硅铝丝膨胀 系数不同,产生向上、向下的应力。温度越高,应力 越大。该应力集中于根部,且压焊时根部易受损伤, 产生断裂,使器件失效。五、沾污造成引线腐蚀而开路失效沾污原因是多方面的,造成开路失效的情况也各不相同, 例举如下:(1酒精使 AL-Si 丝腐蚀成疏松状醇化铝后,使内引线腐蚀断裂。(2唾沫、盐水、盐雾造成铝膜、引线开路失效。(3管壳镀 AU 后清洗不净,或键合时沾污,长期存放后,在内、 外引线相互焊接处,呈观一种白色絮状物质,使内外引线断 开,器件失效。经签定,化合物的成分主要是 A1(OH3。,尚 有 AuAl 、 AuAl2等。这些化合物呈白色、絮状,貌