1、集成電路技術講座第十三講,集成電路可靠性 Reliability,集成電路可靠性,（一）可靠性概念和表征方法 （二）失效規(guī)律浴盆曲線 （三）硅片級可靠性設計和測試 （四）老化篩選和可靠性試驗 （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,集成電路的可靠性是指集成電路在預期壽命內(nèi)，在規(guī)定的條件下正常工作的概率即集成電路能正常使用多長時間 Unreliability F(t)=r/n n 總樣品數(shù) r失效數(shù) Reliability R(t)=(n-r)/n Failure Density f(t)=f(t,t+t)=r/n Failure Rate (t)=(t,t+

2、t)=r/(n-r),可靠性概念和表征方法,平均失效率(Failure rate) （用于常數(shù)失效區(qū)） Fr=Nf/Ndt Nf 失效數(shù) Ndt器件數(shù)和試驗小時數(shù)乘積 FIT(Failure In Time)=Fr*109 1小時內(nèi)每109個(10億)器件中有一個器件失效時，稱為1FIT (ppb),或1000小時內(nèi)每106個(100萬)器件中有一個器件失效時，稱為1FIT 平均失效時間 MTTF(Mean Time to Failure) =1/Fr,與失效速率有關的函數(shù),在給定時間間隔dt中失效的總數(shù)分數(shù)可用函數(shù)f(t)dt表示，f(t)為失效速率，累積失效數(shù)目是該函數(shù)對時間的積分， 即為

3、累積失效函數(shù) 可靠性函數(shù)定義為在時間為t時仍未失效的總數(shù)分數(shù),失效函數(shù)的描述,正態(tài)分布 f(t)=1/(2)-0.5Exp-1/2(t-)/ 2 F(t)= 1/(2)-0.5 t Exp-0.5(t-)/ 2dt Webull分布 F(t)=1-e-(t/) 為器件的特征壽命 為形狀函數(shù),塑封器件現(xiàn)場統(tǒng)計失效率例(FIT),美國可靠性分析中心（90年代）,器件失效對系統(tǒng)性能的影響,（二）失效規(guī)律浴盆曲線,浴盆曲線,Early Life Failure 早期失效期,Useful Life 偶然失效期,Wearout 耗損失效期,時間,失 效 速 率,早期失效期,器件的早期失效速率很快，且隨時間

4、迅速變小，早期失效原因主要是由于設計和制造工藝上的缺陷引起例如：氧化物針孔引起柵擊穿，壓焊不牢引起開路通過加強制造過程質(zhì)量管理來減少早期失效老化篩選可以幫助剔除這些早期失效產(chǎn)品。,有用壽命期（隨機失效期）,浴盆曲線中第二個區(qū)域特點是失效速率低且穩(wěn)定，幾乎是常數(shù)，該區(qū)域的長短則決定了器件的使用壽命。影響此壽命的因素有溫度，濕度，電場等最大因素是芯片溫度失效機理有如：潮氣滲入鈍化層引起金屬銹蝕；金屬間化合物生長引起的疲勞失效；潮氣沿界面滲入引起封裝開裂等。該段時間也是產(chǎn)品在客戶手中使用和系統(tǒng)的預期壽命，在該范圍內(nèi)的失效速率與系統(tǒng)失效緊密相關,耗損失效期,在曲線的最后區(qū)域，失效速率急劇上升，意味著封

5、裝器件達到了預期壽命，諸如開裂和過度的應力不可能對該區(qū)域有重大影響，因為這些問題造成的失效應更早出現(xiàn)。引起該失效的最典型的原因是較慢銹蝕過程的累積效應。失效速率開始快速上升的時間應該超過系統(tǒng)的預期壽命，以保證消費者的質(zhì)量要求。,（三）硅片級可靠性設計和測試,硅片級可靠性（工藝可靠性）,產(chǎn)品可靠性取決于設計，工藝和封裝 相同設計規(guī)則，相同工藝和封裝的不同產(chǎn)品應有相同的可靠性水平 可靠性要從源頭設計抓起 可靠性是內(nèi)在質(zhì)量，是靠做出來的，不是靠測出來的,可靠性設計,電路設計的可靠性考慮 器件和版圖結構設計的可靠性考慮 工藝設計的可靠性考慮,可靠性設計電路設計時的考慮,盡量減少接觸點數(shù)目和芯片面積 盡

6、量減少電流和功耗，pn結溫 提高電路冗余度如增加放大級數(shù)，減少每級的增益，對邏輯電路，要使噪聲容限和扇出數(shù)留有余量 采用輸入保護措施,可靠性設計器件和版圖結構設計時的考慮,溝道長度設計要考慮熱電子問題 鋁布線的電流密度應在106A/cm2以下，以防止斷線和電遷移 元件布局，應將容易受溫度影響的元件，遠離發(fā)熱元件 在必須匹配的電路中，應將相關元件并排或?qū)ΨQ排列 版圖上防止Latch up的措施 芯片邊緣和劃片道的設計,可靠性設計工藝設計時的考慮,氧化膜中的可動離子 氧化膜TDDB水平 選擇表面鈍化膜，防止灰塵和水汽等原因造成的退化(SiO2, PSG, Si3N4, Polymide),硅片級可

7、靠性測試,TDDB測試 電遷移測試 熱載流子測試,TDDB,直接評估介質(zhì)電學特性，硅片級預測器件壽命 測試樣品為MOS電容或MOSFET 四種方式：恒電壓，恒電流，斜坡電壓，斜坡電流 測試參數(shù)：Ebd，tbd, Qbd QbdtdbJ(t)dt,TDDB測試,TDDB,TDDB,電遷移現(xiàn)象,MTF=AJ-n exp-EA/kT,MTF=20 年Jmax=105A/cm2,電遷移測試,10 100 400 1000 MTF (hr),Pure Al,Al-4%Cu,J=4E6A/cm2 T=175,積累失效,90 70 50 30 10,%,熱電子效應,Vgs,N+,N+,Vd,Vs,Vb,Is

8、ub,Ig,熱電子效應測試,NMOS 0.5um 5V design 測試方法 Vds=6.7V，7.0V, 7.3V Vss and Vbs=0V Vgs set to max Ibs 失效判據(jù)： Gm 偏移10% 時所需時間 T0.1 (-time to 0.1 failure) 作Ibs/IdsT0.1圖 根據(jù)Berkeley model預測壽命 ttfIds=Cx-m(ttf 是失效0.1%的時間, C是 Ibs/IdsT0.1圖截距，m是斜率）,（四）老化和可靠性試驗,老化篩選 (Burn in),老化篩選從對環(huán)境的適應性，存放特性，電學性能穩(wěn)定性等方面去排除器件的潛在缺陷和故障，為

9、使產(chǎn)品穩(wěn)定化所進行的處理 估計早期失效率(PPM),可及早發(fā)現(xiàn)并改善失效模式 試驗時間短(168hr)，隨機抽樣 對要求高可靠產(chǎn)品，可對全部產(chǎn)品老化 老化篩選適應種類和條件條件必須選擇適當，否則不但浪費時間，還會降低可靠性,老化篩選(例）,可靠性試試驗 (1),可靠性評價不可能等待器件自然失效后再進行測試和分析，而是通過一系列模擬環(huán)境和加速試驗，使器件在較短的時間內(nèi)失效，然后再進行失效機理的分析。 加速因子包括潮氣、溫度、一般的環(huán)境應力和剩余應力等。 設計合理的加速試驗，可以達到檢測器件可靠性的目的。 選擇合適的樣本數(shù)也是可靠性試驗的關鍵參數(shù)之一，因為樣本數(shù)少了，不能真實反映器件的可靠性，樣本

10、數(shù)太大的話，又會造成資源的浪費，需用數(shù)理統(tǒng)計方法，合理選擇樣本數(shù)。,可靠性試試驗(2),對于使用壽命很長、可靠性很高的產(chǎn)品來講，在60的置信度(confidence level)下，以每千小時0.1的失效速率(即103FIT)測試產(chǎn)品，則無失效時間長達915,000小時，即若器件樣本數(shù)為915，則要測試1,000小時才會有一個器件失效；若器件的樣本數(shù)為92，則要測試10,000小時才會有一個器件失效，這樣的測試即不經(jīng)濟又費時，因此，必須在加速使用條件下進行測試。由于失效分析是按照抽樣的方法進行分析，所以，在分析失效速度時要用到許多統(tǒng)計的方法，包括根據(jù)可靠性要求設計的置信度和樣本數(shù)，按照實驗結果

11、進行數(shù)學模型的建立和分析，然后推導出器件的預期壽命。,加速測試(1),加速試驗的目的是在于讓確實存在的缺陷提前暴露出來，而不是為了誘導產(chǎn)生新的缺陷或讓存在的缺陷逃脫 加速力選擇要與器件可靠性要求緊密關聯(lián)，否則可能對改進設計、材料選擇、工藝參數(shù)確定等方面產(chǎn)生誤導作用。,加速因子,加速因子： 常規(guī)條件下的失效時間 加速試驗條件下的失效時間 加速因子不但與加速試驗條件有關， 還與失效機理、失效位置等因素有關,加速因子,At= t1/t2 =Exp-Ea/k(1/ TTEST- TUSE) t1 MTTF at TTEST t2 MTTF at TUSE Ea 熱激活能(eV)（和失效機理有關） Ox

12、ide 0.8eV Contamination 1.4eV Si Junction Defect 0.8eV,加速因子（例）,可靠性試驗種類,環(huán)境試驗 高溫儲存，溫度循環(huán)/沖擊，高壓蒸煮，潮濕偏壓，鹽霧，耐焊接熱 壽命試驗 偏壓高溫壽命試驗，動態(tài)壽命試驗，動態(tài)高溫壽命試驗 機械試驗 振動/沖擊、加速度、可焊性、鍵合強度 ESD測試,高溫工作壽命（HTOL),條件：125oC 或150oC，Vcc max， frequency max, 至少 1000 devices-hrs 目的：發(fā)現(xiàn)熱/電加速失效機理，預估長期工作的失效率 失效機理：高溫下芯片表面和內(nèi)部的缺陷進一步生長，可動離子富集導致的表

13、面溝道漏電，使結特性退化. 電場加速介質(zhì)擊穿，高溫加速電遷移等 (對大功率器件，可采用常溫功率負荷的方式使結溫達到額定值),高溫反偏試驗 (HRB),適用高壓MOSFET功率管 (例如600V/4A) 條件：125oC or 150oC， Vgs=0V, Vds=80% of max BVdss Duration: (168,500),1000hr 目的：加速耐高壓性能退化 失效機理：高溫，高電壓作用下離子沾污 活動改變電場分布,高溫反偏試驗數(shù)據(jù)例,溫度循環(huán)（T/C）,條件： 500 cycles, -65 to +150 at a ramp rate of 25/min and with 2

14、0 min dwell at each temperature extreme 目的：模擬環(huán)境溫度變化,考核溫度交替變化對產(chǎn)品機械/電性能的影響，暴露粘片/鍵合/塑封等封裝工藝/材料缺陷，及金屬化/鈍化等圓片工藝問題 失效機理：不同材料間熱膨脹系數(shù)差異造成界面熱匹配問題，造成金線斷裂、鍵合脫落致使開路，塑封開裂使密封性失效、界面分層使熱阻增大 、鈍化層開裂、硅鋁接觸開路、芯片開裂,高壓蒸煮（PCT/Autoclave）,條件： 121oC/100%RH，205kPa（2atm），168hrs 目的：檢驗器件抵抗水汽侵入及腐蝕的能力。 失效機理：濕氣通過塑封體及各界面被吸入并到達芯片表面,在鍵合

15、區(qū)形成原電池而加速鋁的腐蝕。另外，水汽帶入的雜質(zhì)在器件表面形成漏電通道。,高溫高濕電加速（THB/HAST）,條件：THB 85oC/85%RH，Vccmax static bias，1000hrs HAST 130oC/85%RH/2atm，Vccmax bias，100hrs （24hrs HAST1000hrs THB） 目的：模擬非密封器件在高溫高濕環(huán)境下工作，檢驗塑封產(chǎn)品抗水汽侵入并腐蝕的能力 失效機理：相對高壓蒸煮，偏置電壓在潮濕的芯片表面加速了鋁線及鍵合區(qū)的電化學腐蝕。同時，水汽或塑封體內(nèi)的雜質(zhì)在電應力作用下富集在鍵合區(qū)和塑封體內(nèi)引腳之間而形成漏電通道。,常用可靠性試驗匯總表 (

16、1),常用可靠性試驗匯總表 (2),常用可靠性試驗匯總表 (3),常用可靠性試驗匯總表 (4),常用可靠性試驗匯總表 (5),（五）失效模式和失效分析,Distribution of failure in commercial IC,失效模式,芯片工藝引起的失效 封裝引起的失效,失效模式芯片工藝引起的失效,失效模式封裝工藝引起的失效,鍵合不良金屬間化合物；焊球脫焊 塑封裂縫濕氣侵入；鍵合線斷裂 塑封料流變空洞；鍵合線斷裂 塑封應力芯片裂紋；鋁膜變形；鍵合線斷裂 溫度循環(huán)后芯片和框架間黏結變壞,失效分析流程,失效器件,足夠 信息,數(shù)據(jù)分析,外觀檢查,使用信息,失效分析流程（續(xù)）,需X線？,測試,

17、X-ray,專門測 試？,烘烤,圖示儀,測試,氣密封裝 ？,Burn-in,測試,Fail,氣密測試,失效分析流程（續(xù)）,開封,測試,目檢異常 ？,失效機理 清楚？,應用分析 技術,改進措施,失效分析技術工具, Sophisticated bench testing equipment: Curve trace （圖示儀）; Bench Testing Microprobing Package analysis: X-ray;Acoustic microscope（聲學顯微鏡） Decapsulation techniques（開封技術） Chemical and dry depassivat

18、ing method（去除鈍化層技術）,失效分析技術工具, Internal visual inspection（目檢）: Microscope（顯微鏡） Scanning electron microscope（掃描電子顯微鏡） Defect location: Emission microscope(發(fā)射電子顯微鏡）， Liquid Crystal Analysis(液晶） 其他： SIMS（二次離子質(zhì)譜）,FIB（聚焦離子束）,XPS（X射線光電能譜儀）,AES（俄歇能譜儀）,X射線成像術,聲掃描顯微鏡成像原理(1),What are Ultrasonic Waves? Ultrason

19、ic waves refer to sound waves above 20 kHz (not audible to the human ear),Characteristics of Ultrasonic Waves Freely propagate through liquids and solids Reflect at boundaries of internal flaws and change of material Capable of being focused, straight transmission Suitable for Real-Time processing H

20、armless to the human body Non-destructive to material,SONAR,A-Scans are the raw ultrasonic data. An A-Scan is a graph of Voltage (electrical response) over a period of time. The time-scale is displayed horizontally and has units in millionths of a second (micro-seconds). Percent Full Screen Height (

21、%FSH) units are used instead of voltage. The Digital Oscilloscope displays A-Scans in the Sonix software. Initial Pulse - Occurs when pulser discharges and transducer oscillates. Time = 0Sec,Time = 0,Initial Pulse,Front Surface,Die,2nd Echoes,Water Path,Voltage,Time (micro-seconds),Transducer,Region

22、 of Interest,1,1,2,2,3,3,4,4,Pulse-Echo,聲掃描顯微鏡成像原理(2),失效機理分析,機械原因 熱的原因 電的原因 輻射原因 化學原因,失效分析機械原因,包括一般的沖擊、振動（如汽車發(fā)動機罩下面的電子裝置）、填充料顆粒在硅芯片上產(chǎn)生的應力、慣性力（如加農(nóng)炮外殼在發(fā)射時引信受到的力）等，這些負荷對材料和結構的響應有彈性形變、塑性形變、彎曲(buckle)、脆性或柔性斷裂(fracture) 、界面分層、疲勞裂縫產(chǎn)生及增殖、蠕變(creep)及蠕變開裂等,容易開裂的部位,金屬疲勞引起的斷裂,失效分析熱的原因,包括芯片粘結劑固化時的放熱、引線鍵合前的預加熱、成型工藝、后固化、鄰近元器件的重新加工(rework)、浸錫、波峰焊、回流焊等，