IC工艺技术集成电路可靠性

集成电路技术讲座

第十三讲集成电路可靠性Reliability集成电路可靠性（一）可靠性概念和表征方法（二）失效规律－浴盆曲线（三）硅片级可靠性设计和测试（四）老化筛选和可靠性试验（五）失效模式和失效分析

（一）可靠性概念和表征方法可靠性概念和表征方法集成电路的可靠性是指集成电路在预期寿命内，在规定的条件下正常工作的概率．即集成电路能正常使用多长时间．UnreliabilityF(t)=r/nn总样品数r失效数ReliabilityR(t)=(n-r)/nFailureDensityf(t)=f(t,t+t)=r/nFailureRate(t)=(t,t+t)=r/(n-r)可靠性概念和表征方法平均失效率(Failurerate)（用于常数失效区）

Fr=Nf/NdtNf失效数Ndt器件数和试验小时数乘积

FIT(FailureInTime)=Fr*109

1小时内每109个(10亿)器件中有一个器件失效时，称为1FIT(ppb),或1000小时内每106个(100万)器件中有一个器件失效时，称为1FIT平均失效时间MTTF(MeanTimetoFailure)=1/Fr与失效速率有关的函数在给定时间间隔dt中失效的总数分数可用函数f(t)dt表示，f(t)为失效速率，累积失效数目是该函数对时间的积分，

即为累积失效函数可靠性函数定义为在时间为t时仍未失效的总数分数失效函数的描述正态分布

f(t)=[1/(2)-0.5]Exp{-1/2[(t-)/]2}F(t)=[1/(2)-0.5]tExp{-0.5[(t-)/]2}dtWebull分布

F(t)=1-e-(t/)为器件的特征寿命为形状函数塑封器件现场统计失效率例

(FIT)器件类型应用环境地面民用飞机汽车线性IC35.432数字SSI/MSI0.971011存储器，微处理器2.31413美国可靠性分析中心（90年代）器件失效对系统性能的影响

Dataset:150to225ICsfailurerate(FIT)meantimetofailure(year)percentofsetsfailingpermonth10510.1610051.610000.516（二）失效规律－浴盆曲线浴盆曲线线EarlyLifeFailure早期失效效期UsefulLife偶然失效效期Wearout耗损失效效期时间失效速率早期失失效期期器件的的早期期失效效速率率很快快，且且随时时间迅迅速变变小，，早期期失效效原因因主要要是由由于设设计和和制造造工艺艺上的的缺陷陷引起起．例例如：：氧化化物针针孔引引起栅栅击穿穿，压压焊不不牢引引起开开路．．通过过加强强制造造过程程质量量管理理来减减少早早期失失效．．老化化筛选选可以以帮助助剔除除这些些早期期失效效产品品。有用寿寿命期期（随随机失失效期期）浴盆曲曲线中中第二二个区区域特特点是是失效效速率率低且且稳定定，几几乎是是常数数，该该区域域的长长短则则决定定了器器件的的使用用寿命命。影影响此此寿命命的因因素有有温度度，湿湿度，，电场场等．．最大大因素素是芯芯片温温度．．失效效机理理有如如：潮潮气渗渗入钝钝化层层引起起金属属锈蚀蚀；金金属间间化合合物生生长引引起的的疲劳劳失效效；潮潮气沿沿界面面渗入入引起起封装装开裂裂等。。该段段时间间也是是产品品在客客户手手中使使用和和系统统的预预期寿寿命，，在该该范围围内的的失效效速率率与系系统失失效紧紧密相相关．耗损失失效期期在曲线线的最最后区区域，，失效效速率率急剧剧上升升，意意味着着封装装器件件达到到了预预期寿寿命，，诸如如开裂裂和过过度的的应力力不可可能对对该区区域有有重大大影响响，因因为这这些问问题造造成的的失效效应更更早出出现。。引起起该失失效的的最典典型的的原因因是较较慢锈锈蚀过过程的的累积积效应应。失失效速速率开开始快快速上上升的的时间间应该该超过过系统统的预预期寿寿命，，以保保证消消费者者的质质量要要求。。（三））硅片片级可可靠性性设计计和测测试硅片级级可靠靠性（（工艺艺可靠靠性））产品可可靠性性取决决于设设计，，工艺艺和封封装相同设设计规规则，，相同同工艺艺和封封装的的不同同产品品应有有相同同的可可靠性性水平平可靠性性要从从源头头－设设计抓抓起可靠性性是内内在质质量，，是靠靠‘做做’出出来的的，不不是靠靠‘测测’出出来的的可靠性性设计计电路设设计的的可靠靠性考考虑器件和和版图图结构构设计计的可可靠性性考虑虑工艺设设计的的可靠靠性考考虑可靠性性设计计－电路路设计计时的的考虑虑尽量量减减少少接接触触点点数数目目和和芯芯片片面面积积尽量量减减少少电电流流和和功功耗耗，，pn结温温提高高电电路路冗冗余余度度．．如如增增加加放放大大级级数数，，减减少少每每级级的的增增益益，，对对逻逻辑辑电电路路，，要要使使噪噪声声容容限限和和扇扇出出数数留留有有余余量量采用用输输入入保保护护措措施施可靠靠性性设设计计－器器件件和和版版图图结结构构设设计计时时的的考考虑虑沟道道长长度度设设计计要要考考虑虑热热电电子子问问题题铝布布线线的的电电流流密密度度应应在在106A/cm2以下下，，以以防防止止断断线线和和电电迁迁移移元件件布布局局，，应应将将容容易易受受温温度度影影响响的的元元件件，，远远离离发发热热元元件件在必须匹匹配的电电路中，，应将相相关元件件并排或或对称排排列版图上防防止Latchup的措施施芯片边缘缘和划片片道的设设计可靠性设设计－工艺设设计时的的考虑氧化膜中中的可动动离子氧化膜TDDB水平选择表面面钝化膜膜，防止止灰尘和和水汽等等原因造造成的退退化(SiO2,PSG,Si3N4,Polymide)硅片级可可靠性测测试TDDB测试电迁移测测试热载流子子测试TDDB直接评估估介质电电学特性性，硅片片级预测测器件寿寿命测试样品为为MOS电电容或MOSFET四种方式：：恒电压，，恒电流，，斜坡电压压，斜坡电电流测试参数：：Ebd，tbd,QbdQbd＝tdbJ(t)dtTDDB测试TDDBTDDB电迁移现象象MTF=AJ-nexp[-EA/kT]MTF=20年Jmax=105A/cm2电迁移测试试101004001000MTF(hr)PureAlAl-4%CuJ=4E6A/cm2T=175℃积累失效9070503010%热电子效应应VgsN+N+VdVsVbIsubIg热电子效应应测试NMOS0.5um5Vdesign测试方法Vds=6.7V，，7.0V,7.3VVssandVbs=0VVgssettomaxIbs失效判据：：Gm偏偏移10%时所所需时间T0.1(-->timeto0.1failure)作Ibs/Ids－T0.1图根据Berkeleymodel预测寿命ttfIds=Cx-m(ttf是是失效0.1%的时间,C是Ibs/Ids－T0.1图截距，，m是斜率））（四）老化和和可靠性试验验老化筛选(Burnin)老化筛选－从对环境的的适应性，存存放特性，电电学性能稳定定性等方面去去排除器件的的潜在缺陷和和故障，为使使产品稳定化化所进行的处处理估计早期失效效率(PPM),可及早发现并并改善失效模模式试验时间短(<168hr)，随机机抽样对要求高可靠靠产品，可对对全部产品老老化老化筛选适应应种类和条件件条件必须选选择适当，否否则不但浪费费时间，还会会降低可靠性性老化筛选选(例）试验名称所排除的故障筛选方法高温存放表面沾污，氧化层针孔125-150C24-168hr温度循环表面沾污，键合不良，芯片黏结不良(-65C)/150C)250cycle振动键合不良，芯片开裂，引线开／短路数十g,50Hz振动10-60s偏压试验金属颗粒，沾污，针孔10-150C,24-250V可靠性试试试验(1)可靠性评评价不可可能等待待器件自自然失效效后再进进行测试试和分析析，而是是通过一一系列模模拟环境境和加速速试验，，使器件件在较短短的时间间内失效效，然后后再进行行失效机机理的分分析。加速因子子包括潮潮气、温温度、一一般的环环境应力力和剩余余应力等等。设计合理理的加速速试验，，可以达达到检测测器件可可靠性的的目的。。选择合适适的样本本数也是是可靠性性试验的的关键参参数之一一，因为为样本数数少了，，不能真真实反映映器件的的可靠性性，样本本数太大大的话，，又会造造成资源源的浪费费，需用用数理统统计方法法，合理理选择样样本数。。可靠性试试试验(2)对于使用用寿命很很长、可可靠性很很高的产产品来讲讲，在60％的的置信度度(confidencelevel)下，以以每千小小时0.1％的的失效速速率(即即103FIT)测试产产品，则则无失效效时间长长达915,000小小时，即即若器件件样本数数为915，则则要测试试1,000小小时才会会有一个个器件失失效；若若器件的的样本数数为92，则要要测试10,000小小时才会会有一个个器件失失效，这这样的测测试即不不经济又又费时，，因此，，必须在在加速使使用条件件下进行行测试。。由于失失效分析析是按照照抽样的的方法进进行分析析，所以以，在分分析失效效速度时时要用到到许多统统计的方方法，包包括根据据可靠性性要求设设计的置置信度和和样本数数，按照照实验结结果进行行数学模模型的建建立和分分析，然然后推导导出器件件的预期期寿命。。加速测测试(1)加速试试验的的目的的是在在于让让确实实存在在的缺缺陷提提前暴暴露出出来，，而不不是为为了诱诱导产产生新新的缺缺陷或或让存存在的的缺陷陷逃脱脱加速力力选择择要与与器件件可靠靠性要要求紧紧密关关联，，否则则可能能对改改进设设计、、材料料选择择、工工艺参参数确确定等等方面面产生生误导导作用用。加速因因子加速因因子：：常规条条件下下的失失效时时间加速试试验条条件下下的失失效时时间加速因因子不不但与与加速速试验验条件件有关关，还与失失效机机理、、失效效位置置等因因素有有关加速因因子At=t1/t2=Exp[-Ea/k(1/TTEST-TUSE)]t1MTTFatTTESTt2MTTFatTUSEEa热热激活活能(eV)（（和失失效机机理有有关））Oxide0.8eVContamination1.4eVSiJunctionDefect0.8eV加速因因子（（例））TestTempNoofDeviceHrAtTTESTUseTemp加速因子AtEpqivalentDeviceHr@55C135C43475055C12855648000125C21100055C7716247000可靠性性试验验种类类环境试试验高温储储存，，温度度循环环/冲冲击，，高压压蒸煮煮，潮潮湿偏偏压，，盐雾雾，耐耐焊接接热寿命试试验偏压高温寿寿命试试验，，动态态寿命命试验验，动动态高高温寿寿命试试验机械试试验振动/冲击击、加加速度度、可可焊性性、键键合强强度ESD测试试高温工工作寿寿命（（HTOL)条件：：125oC或或150oC，Vccmax，frequencymax,至至少1000devices-hrs目的：发现现热/电加加速失失效机机理，，预估估长期期工作作的失失效率率失效机机理：：高温下下芯片片表面面和内内部的的缺陷陷进一一步生生长，，可动动离子子富集集导致致的表表面沟沟道漏漏电，，使结结特性性退化化.电电场场加速速介质质击穿穿，高高温加加速电电迁移移等(对大大功率率器件件，可可采用用常温温功率率负荷荷的方方式使使结温温达到到额定定值)高温反反偏试试验(HRB)适用高高压MOSFET功功率管管(例如如600V/4A)条件件：：125oCor150oC，，Vgs=0V,Vds=80%ofmaxBVdssDuration:(168,500),1000hr目的的：：加加速速耐耐高高压压性性能能退退化化失效效机机理理：：高高温温，，高高电电压压作作用用下下离离子子沾沾污污活动动改改变变电电场场分分布布高温温反反偏偏试试验验数数据据例例TotalLotsTested71TotalDevicesTested2031TotalEquiv.DevicesHours@125oC1959430NumberofFailure0FailureRate(FIT)125oC60%UCL470FailureRate(FIT)90oC60%UCL28MTTF(Years)125oC60%UCL243MTTF(Years)90oC60%UCL4060温度度循循环环（（T/C））条件件：：500cycles,-65℃℃to+150℃℃ataramprateof25℃℃/minandwith20mindwellateachtemperatureextreme目的：模拟环境温度度变化,考核核温度交替变变化对产品机机械/电性能能的影响，暴暴露粘片/键键合/塑封等等封装工艺/材料缺陷，，及金属化/钝化等圆片片工艺问题失效机理：：不同材料间间热膨胀系系数差异造造成界面热热匹配问题题，造成金金线断裂、、键合脱落落致使开路路，塑封开开裂使密封封性失效、、界面分层层使热阻增增大、钝钝化层开裂裂、硅铝接接触开路、、芯片开裂裂高压蒸煮（（PCT/Autoclave）条件：121oC/100%RH，，205kPa（2atm）），168hrs目的：检验器件抵抵抗水汽侵侵入及腐蚀蚀的能力。。失效机理：：湿气通过塑塑封体及各各界面被吸吸入并到达达芯片表面面,在键合合区形成原原电池而加加速铝的腐腐蚀。另外外，水汽带带入的杂质质在器件表表面形成漏漏电通道。。高温高湿电电加速（THB/HAST））条件：THB85oC/85%RH，Vccmaxstaticbias，1000hrsHAST130oC/85%RH/2atm，，Vccmaxbias，，100hrs（（24hrsHAST≈1000hrsTHB）目的：：模拟非非密封封器件件在高高温高高湿环环境下下工作作，检检验塑塑封产产品抗抗水汽汽侵入入并腐腐蚀的的能力力失效机机理：：相对高高压蒸蒸煮，，偏置置电压压在潮潮湿的的芯片片表面面加速速了铝铝线及及键合合区的的电化化学腐腐蚀。。同时时，水水汽或或塑封封体内内的杂杂质在在电应应力作作用下下富集集在键键合区区和塑塑封体体内引引脚之之间而而形成成漏电电通道道。常用可可靠性性试验验汇总总表(1)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsLow-temperatureoperatinglife低温工作寿命-10℃/Vccmax/maxfrequency/min1,000devicehr/outputsloadedtodrawratedcurrentfieldoperationinsub-zeroenvironmentJEDEC-STD-22TM-A106High-temperatureoperatinglife高温工作寿命+125℃or150℃/Vccmax/maxfrequency/min1,000devicehr/outputsloadedtodrawratedcurrentfieldoperationinnormalenvironmentMIL–STD-883method1005Temperaturecycling温度循环500cycles,-65℃to+150℃ataramprateof25℃/minandwith20mindwellateachtemperatureextremeday-night,seasonal,andotherchangesinenvironmenttemperatureMIL-STD-883method1010C常用可可靠性性试验验汇总总表(2)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsTemperaturecycling,humidity,andbias60cycles,VccON/OFFat5-mininterval,95%RH,+30to+65℃withheatingandcoolingtimeof4hreachandadwellof8hrateachtemperatureextremeslowchangesinenvironmentconditionswhiledeviceisoperatingJEDEC–STD-22TM-A104Powerandtemperaturecycling功率和温度循环onlyondevicesexperiencingriseinjunctiontemperaturegreaterthan20℃;min1,000cyclesof–40to+125℃changesinenvironmenttemperaturewhiledeviceisoperatingJEDEC–STD-22TM-A106常用可可靠性性试验验汇总总表(3)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsThermalshock热冲击500cyclesof–55to+125℃rapidchangeinfieldorhandlingenvironmentMIL-STD-883method1011BHightempera-turestorage高温存储150℃,for1,000hrminstorageMIL-STD-883method1008TemperaturehumiditybiasVccmax/85℃/85%RH/1,000hrminoperationinhigh-humidityenvironmentJEDEC–STD-22TM-A108HighlyacceleratedstresstestVccmax/130℃/85%RH/240hrminoperationinhigh-humidityenvironmentJEDEC–STD-22TM-A110常用可可靠性性试验验汇总总表(4)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsPressurecooker(autoclave)121C2atm96to240hrJEDECA102BMoistureresistance10cycle25to65CRH=90TO98%MILSTD8831004Saltatmosphere盐雾试验10to50grofNaCl/metres2@35CMILSTD8831009常用可可靠性性试验验汇总总表(5)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsMechanicalshock5shockpulsesofg-levelanddurationasperdevicespecificationalongaparticularaxisavionicsorspacecraftlaunchenvironmentMIL-STD-2002Vibrationvariablefrequencyvariationfrom20to2,000Hzandbackto20Hz,durationofmorethan4minavionicsorspacecraftlaunchenvironmentMIL-STD-2007Constantacceleration30000G1min,MIL-STD-2001Solderability215to245C3to5secondsJEDECB102B（五））失效效模式式和失失效分分析DistributionoffailureincommercialIC失效模模式芯片工工艺引引起的的失效效封装引引起的的失效效失效模式式－芯片工工艺引起起的失效效失效因素失效现象失效原因表面退化输入输出反向电流增大，耐压降低，Vt漂移氧化层可动电荷布线失效电极间开路，无功能金属电迁移，金属腐蚀氧化层缺陷电极间短路氧化层针孔，裂纹失效模式式－封装工工艺引起起的失效效键合不良良金金属间化化合物；；焊球脱脱焊塑封裂缝缝湿湿气侵入入；键合合线断裂裂塑封料流流变空空洞；键键合线断断裂塑封应力力芯芯片裂纹纹；铝膜膜变形；；键合线线断裂温度循环环后芯片片和框架架间黏结结变坏失效分析析流程失效器件件足够信息数据分析析外观检查查使用信息息ＮＹ失效分析析流程（（续）需X线？测试X-ray专门测试？烘烤图示仪测试气密封装装？Burn-in测试Fail气密测试试失效分析析流程（（续）开封测试目检异常常？失效机理理清楚？应用分析析技术ＮＹ改进措施施失效分析析技术／／工具Sophisticatedbenchtestingequipment:Curvetrace（（图示仪仪）;BenchTestingMicroprobingPackageanalysis:X-ray;Acousticmicroscope（声声学显微微镜）Decapsulationtechniques（（开封技技术）Chemicalanddrydepassivatingmethod（（去除钝钝化层技技术）失效分析析技术／／工具Internalvisualinspection（目目检）:Microscope（（显微镜镜）Scanningelectronmicroscope（（扫描电电子显微微镜）Defectlocation:Emissionmicroscope(发发射电子显微微镜），LiquidCrystalAnalysis(液晶）其他：SIMS（二次次离子质谱））,FIB（（聚焦离子束束）,XPS（X射线光光电能谱仪））,AES（（俄歇能谱仪仪）X射线成像术术声扫描显微镜镜成像原理(1)WhatareUltrasonicWaves?Ultrasonicwavesrefertosoundwavesabove20kHz(notaudibletothehumanear)CharacteristicsofUltrasonicWavesFreelypropagatethroughliquidsandsolidsReflectatboundariesofinternalflawsandchangeofmaterialCapableofbeingfocused,straighttransmissionSuitableforReal-TimeprocessingHarmlesstothehumanbodyNon-destructivetomaterialSONARA-Scansaretherawultrasonicdata.AnA-ScanisagraphofVoltage(electricalresponse)overaperiodoftime.Thetime-scaleisdisplayedhorizontallyandhasunitsinmillionthsofasecond(micro-seconds).PercentFullScreenHeight(%FSH)unitsareusedinsteadofvoltage.TheDigitalOscilloscopedisplaysA-ScansintheSonixsoftware.InitialPulse-Occurswhenpulserdischargesandtransduceroscillates.Time=0SecTime=0InitialPulseFrontSurfaceDie2ndEchoesWaterPathVoltageTime(micro-seconds)TransducerRegionofInterest11223344Pulse-Echo声扫描显微镜镜成像原理(2)失效机理分析析机械原因热的原因电的原因辐射原因化学原因失效分析－机机械原因包括一般的冲冲击、振动（（如汽车发动动机罩下面的的电子装置））、填充料颗颗粒在硅芯片片上产生的应应力、惯性力力（如加农炮炮外壳在发射射时引信受到到的力）等，，这些负荷对对材料和结构构的响应有弹弹性形变、塑塑性形变、弯弯曲(buckle)、、脆性或柔性性断裂(fracture)、界界面分层、疲疲劳裂缝产生生及增殖、蠕蠕变(creep)及蠕蠕变开裂等容易开裂的部部位金属疲劳引起起的断裂失效分析－热热的原因包括芯片粘结结剂固化时的的放热、引线线键合前的预预加热、成型型工艺、后固固化、邻近元元器件的重新新加工(rework)、浸锡、波波峰焊、回流流焊等，热负负荷造成的影影响在于材料料的热膨胀，，由于材料之之间的CTE失配，引起起局部应力，，导致失效失效分析－电电的原因突然的电冲击击（如汽车发发动时的点火火）、由于电电压不稳和电电传输过程中中突然的振荡荡（如接地不不良）而引起起的电流波动动、静电电荷荷、电过载或或输入电压过过高、电流过过大，电负荷荷造成介电击击穿、电压表表面击穿、电电能的热损耗耗、电迁移，，还会引起电电锈蚀、由于于枝蔓晶生长长而引起的漏漏电流、电热热降解等失效分析－－辐射原因因封装材料中中微量的放放射性元素素（如铀、、钍等放射射性元素））引起的粒子辐射射，尤其其对存储储器有影影响，会会引起器器件性能能下降及及包封料料的降聚聚作用，，在器件件表面覆覆盖聚酰酰亚胺涂涂层或用用人工合合成的填填充料都都是解决决的途径径失效分析析－化学学原因环境造成成的锈蚀蚀、氧化化、离子子表面枝枝蔓生长长等都会会引起失失效，而而潮湿环环境下的的潮气进进入则是是最主要要的问题题，进入入塑封料料中的潮潮气，会会将材料料中的催催化剂等等其它添添加剂中中的离子子萃取出出来，生生成副产产品，进进入芯片片上的金金属焊盘盘、半导导体结构构、材料料的界面面等，激激活失效效机理开裂产生生及延伸伸钝化层开开裂界面分层Cross-sectionalviewusingTOFandamplitudedata.Allowsyoutosee:VoidsDieTiltPackageCracksTopofPackageDiePopcornCrackDelamination&Crackballlift-off化学锈蚀蚀Cl-Na+Fe+LeadCorrosionMicrogapMoistureIonMigrationAl+4Cl----Al(Cl)-4+3e-2Al(Cl)-4+6H2O---2Al(OH)3+6H++8Cl化学锈蚀蚀（例））ESD失失效（例例）9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。22:11:0422:11:0422:1112/7/202210:11:04PM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。12月-2222:11:0422:11Dec-2207-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。22:11:0422:11:0422:11Wednesday,December7,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2222:11:0422:11:04December7,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。07十二月月202210:11:04下午午22:11:0412月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月2210:11下下午午12月月-2222:11December7,202216、行动出出成果，，工作出出财富。。。2022/12/722:11:0422:11:0407D