1、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（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 Unreliability F(t)=r/n n 总样品数 r失效数 Reliability R(t)=(n-r)/n Failure Density f(t)=f(t,t+t)=r/n Failure Rate (t)=(t
2、,t+t)=r/(n-r) 可靠性概念和表征方法平均失效率(Failure rate) （用于常数失效区） Fr=Nf/NdtFr=Nf/NdtNf 失效数 Ndt器件数和试验小时数乘积 FITFIT(Failure In Time)=Fr*109 1 1小时内每小时内每10109 9个个(10(10亿亿) )器件中有一个器件失效器件中有一个器件失效时，称为时，称为1FIT (ppb),1FIT (ppb),或或10001000小时内每小时内每10106 6个个(100(100万万) )器件中有一个器件失效时，称为器件中有一个器件失效时，称为1FIT 1FIT 平均失效时间 MTTF(Mean
3、 Time to Failure) =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)-0.5Exp-1/2(t-)/ 2 F(t)= 1/(2)-0.5 t Exp-0.5(t-)/ 2dt Webull分布F(t)=1-e-(t/) 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，
4、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 Data set: 150 to 225 ICs failure rate (FIT)mean time to failure (year)percent of sets failing per month10 510.16 100 51.6 1000 0.516（二）失效规律浴盆曲线（二）失效规律浴盆曲线浴盆曲线EarlyLife Failure早期失效期UsefulLife偶然失效期Wearout耗损失效期时间失效速率早期失效期器件的早期失效速率很快，且随时间迅速变小，早期失效原因主要是由于设计和制造工艺上的缺陷
5、引起例如：氧化物针孔引起栅击穿，压焊不牢引起开路通过加强制造过程质量管理来减少早期失效老化筛选可以帮助剔除这些早期失效产品。有用寿命期（随机失效期）浴盆曲线中第二个区域特点是失效速率低且稳定，几乎是常数，该区域的长短则决定了器件的使用寿命。影响此寿命的因素有温度，湿度，电场等最大因素是芯片温度失效机理有如：潮气渗入钝化层引起金属锈蚀；金属间化合物生长引起的疲劳失效；潮气沿界面渗入引起封装开裂等。该段时间也是产品在客户手中使用和系统的预期寿命，在该范围内的失效速率与系统失效紧密相关耗损失效期在曲线的最后区域，失效速率急剧上升，意味着封装器件达到了预期寿命，诸如开裂和过度的应力不可能对该区域有重大
6、影响，因为这些问题造成的失效应更早出现。引起该失效的最典型的原因是较慢锈蚀过程的累积效应。失效速率开始快速上升的时间应该超过系统的预期寿命，以保证消费者的质量要求。（三）硅片级可靠性设计和测试（三）硅片级可靠性设计和测试硅片级可靠性（工艺可靠性）硅片级可靠性（工艺可靠性） 产品可靠性取决于设计，工艺和封装 相同设计规则，相同工艺和封装的不同产品应有相同的可靠性水平 可靠性要从源头设计抓起 可靠性是内在质量，是靠做出来的，不是靠测出来的 可靠性设计 电路设计的可靠性考虑 器件和版图结构设计的可靠性考虑 工艺设计的可靠性考虑可靠性设计电路设计时的考虑 尽量减少接触点数目和芯片面积 尽量减少电流和功
7、耗，pn结温 提高电路冗余度如增加放大级数，减少每级的增益，对逻辑电路，要使噪声容限和扇出数留有余量 采用输入保护措施可靠性设计器件和版图结构设计时的考虑 沟道长度设计要考虑热电子问题 铝布线的电流密度应在106A/cm2以下，以防止断线和电迁移 元件布局，应将容易受温度影响的元件，远离发热元件 在必须匹配的电路中，应将相关元件并排或对称排列 版图上防止Latch up的措施 芯片边缘和划片道的设计可靠性设计工艺设计时的考虑 氧化膜中的可动离子 氧化膜TDDB水平 选择表面钝化膜，防止灰尘和水汽等原因造成的退化(SiO2, PSG, Si3N4, Polymide)硅片级可靠性测试 TDDB测
8、试 电迁移测试 热载流子测试TDDB 直接评估介质电学特性，硅片级预测器件寿命 测试样品为MOS电容或MOSFET 四种方式：恒电压，恒电流，斜坡电压，斜坡电流 测试参数：Ebd，tbd, Qbd QbdtdbJ(t)dtTDDB测试TDDBTDDB电迁移现象MTF=AJ-n exp-EA/kTMTF=20 年Jmax=105A/cm2电迁移测试610 100 400 1000 MTF (hr) Pure AlAl-4%CuJ=4E6A/cm2T=175积累失效9070503010%热电子效应VgsN+N+VdVsVbIsubIg热电子效应测试 NMOS 0.5um 5V design 测试方
9、法 Vds=6.7V，7.0V, 7.3V Vss and Vbs=0V Vgs set to max Ibs 失效判据： Gm 偏移10% 时所需时间 T0.1 (-time to 0.1 failure) 作Ibs/IdsT0.1图 根据Berkeley model预测寿命 ttfIds=Cx-m(ttf 是失效0.1%的时间, C是 Ibs/IdsT0.1图截距，m是斜率）（四）老化和可靠性试验（四）老化和可靠性试验老化筛选 (Burn in)老化筛选老化筛选从对环境的适应性，存放特性，电学性能稳定性等方面去排除器件的潜在缺陷和故障，为使产品稳定化所进行的处理 估计早期失效率(PPM),
10、可及早发现并改善失效模式 试验时间短(168hr)，随机抽样 对要求高可靠产品，可对全部产品老化 老化筛选适应种类和条件条件必须选择适当，否则不但浪费时间，还会降低可靠性老化筛选(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125-150C24-168 hr温度循环表面沾污，键合不良，芯片黏结不良(-65C)/150C)250 cycle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可靠性试试验 (1)可靠性评价不可能等待器件自然失效后再进行测试和分析，而是通过一系列模拟环境和加速试验，使器件在较
11、短的时间内失效，然后再进行失效机理的分析。加速因子包括潮气、温度、一般的环境应力和剩余应力等。设计合理的加速试验，可以达到检测器件可靠性的目的。选择合适的样本数也是可靠性试验的关键参数之一，因为样本数少了，不能真实反映器件的可靠性，样本数太大的话，又会造成资源的浪费，需用数理统计方法，合理选择样本数。可靠性试试验(2) 对于使用寿命很长、可靠性很高的产品来讲，在60的置信度(confidence level)下，以每千小时0.1的失效速率(即103FIT)测试产品，则无失效时间长达915,000小时，即若器件样本数为915，则要测试1,000小时才会有一个器件失效；若器件的样本数为92，则要测
12、试10,000小时才会有一个器件失效，这样的测试即不经济又费时，因此，必须在加速使用条件下进行测试。由于失效分析是按照抽样的方法进行分析，所以，在分析失效速度时要用到许多统计的方法，包括根据可靠性要求设计的置信度和样本数，按照实验结果进行数学模型的建立和分析，然后推导出器件的预期寿命。 加速测试(1) 加速试验的目的是在于让确实存在的缺陷提前暴露出来，而不是为了诱导产生新的缺陷或让存在的缺陷逃脱 加速力选择要与器件可靠性要求紧密关联，否则可能对改进设计、材料选择、工艺参数确定等方面产生误导作用。 加速因子加速因子： 常规条件下的失效时间 加速试验条件下的失效时间加速因子不但与加速试验条件有关，
13、还与失效机理、失效位置等因素有关加速因子 At= t1/t2 =Exp-Ea/k(1/ TTEST- TUSE)t1 MTTF at TTEST t2 MTTF at TUSE Ea 热激活能(eV)（和失效机理有关）Oxide 0.8eV Contamination 1.4eV Si Junction Defect 0.8eV加速因子（例）TestTempNo of Device HrAt TTESTUseTemp加速因子AtEpqivalentDevice Hr55C135C43475055C12855648000125C21100055C7716247000可靠性试验种类 环境试验高温储
14、存，温度循环/冲击，高压蒸煮，潮湿偏压，盐雾，耐焊接热 寿命试验偏压高温寿命试验，动态寿命试验，动态高温寿命试验 机械试验振动/冲击、加速度、可焊性、键合强度 ESD测试高温工作寿命（HTOL)条件：125oC 或150oC，Vcc max， frequency max, 至少 1000 devices-hrs 目的：发现热/电加速失效机理，预估长期工作的失效率失效机理：高温下芯片表面和内部的缺陷进一步生长，可动离子富集导致的表面沟道漏电，使结特性退化. 电场加速介质击穿，高温加速电迁移等 (对大功率器件，可采用常温功率负荷的方式使结温达到额定值)高温反偏试验 (HRB) 适用高压MOSFET
15、功率管 (例如600V/4A) 条件：125oC or 150oC， Vgs=0V, Vds=80% of max BVdss Duration: (168,500),1000hr 目的：加速耐高压性能退化 失效机理：高温，高电压作用下离子沾污活动改变电场分布高温反偏试验数据例Total Lots Tested71Total Devices Tested2031Total Equiv. Devices Hours 125oC 1959430Number of Failure0Failure Rate (FIT) 125oC 60% UCL470Failure Rate (FIT) 90oC 6
16、0% UCL28MTTF (Years) 125oC 60% UCL243MTTF (Years) 90oC 60% UCL4060温度循环（T/C）条件： 500 cycles, -65 to +150 at a ramp rate of 25/min and with 20 min dwell at each temperature extreme目的：模拟环境温度变化,考核温度交替变化对产品机械/电性能的影响，暴露粘片/键合/塑封等封装工艺/材料缺陷，及金属化/钝化等圆片工艺问题失效机理：不同材料间热膨胀系数差异造成界面热匹配问题，造成金线断裂、键合脱落致使开路，塑封开裂使密封性失效、界
17、面分层使热阻增大 、钝化层开裂、硅铝接触开路、芯片开裂高压蒸煮（PCT/Autoclave） 条件： 121oC/100%RH，205kPa（2atm），168hrs 目的：检验器件抵抗水汽侵入及腐蚀的能力。 失效机理：湿气通过塑封体及各界面被吸入并到达芯片表面,在键合区形成原电池而加速铝的腐蚀。另外，水汽带入的杂质在器件表面形成漏电通道。高温高湿电加速（THB/HAST） 条件：THB 85oC/85%RH，Vccmax static bias，1000hrs HAST 130oC/85%RH/2atm，Vccmax bias，100hrs （24hrs HAST1000hrs THB） 目
18、的：模拟非密封器件在高温高湿环境下工作，检验塑封产品抗水汽侵入并腐蚀的能力 失效机理：相对高压蒸煮，偏置电压在潮湿的芯片表面加速了铝线及键合区的电化学腐蚀。同时，水汽或塑封体内的杂质在电应力作用下富集在键合区和塑封体内引脚之间而形成漏电通道。常用可靠性试验汇总表 (1)TestTestTest conditionTest conditionSimulated Simulated environmentenvironmentApplicable Applicable standardsstandardsLow-temperature operating life低温工作寿命-10/Vcc max
19、/max frequency/min 1,000 device hr/outputs loaded to draw rated currentfield operation in sub-zero environmentJEDEC-STD-22 TM-A 106High-temperature operating life高温工作寿命+125 or 150/Vcc max/max frequency/min 1,000 device hr/outputs loaded to draw rated currentfield operation in normal environmentMIL S
20、TD-883 method 1005Temperature cycling温度循环500 cycles, -65 to +150 at a ramp rate of 25/min and with 20 min dwell at each temperature extremeday-night, seasonal, and other changes in environment temperatureMIL-STD-883 method 1010C常用可靠性试验汇总表 (2)TestTestTest conditionTest conditionSimulated Simulated en
21、vironmentenvironmentApplicable Applicable standardsstandardsTemperature cycling, humidity, and bias60 cycles, Vcc ON/OFF at 5-min interval, 95%RH, +30 to +65 with heating and cooling time of 4hr each and a dwell of 8hr at each temperature extremeslow changes in environment conditions while device is
22、 operatingJEDEC STD-22 TM-A 104Power and temperature cycling功率和温度循环only on devices experiencing rise in junction temperature greater than 20; min 1,000 cycles of 40 to +125changes in environment temperature while device is operatingJEDEC STD-22 TM-A 106常用可靠性试验汇总表 (3)TestTestTest conditionTest condit
23、ionSimulated Simulated environmentenvironmentApplicable Applicable standardsstandardsThermal shock热冲击500 cycles of 55 to +125rapid change in field or handling environmentMIL-STD-883 method 1011BHigh tempera-ture storage高温存储150, for 1,000hr minstorageMIL-STD-883 method 1008Temperature humidity biasVc
24、c max/85/85%RH/1,000hr minoperation in high-humidity environmentJEDEC STD-22 TM-A 108Highly accelerated stress testVcc max/130/85%RH/240hr minoperation in high-humidity environmentJEDEC STD-22 TM-A 110常用可靠性试验汇总表 (4)TestTestTest conditionTest conditionSimulated Simulated environmentenvironmentApplica
25、ble Applicable standardsstandards Pressure cooker (autoclave) 121C 2atm 96 to 240 hrJEDEC A102B Moisture resistance 10 cycle 25 to 65C RH=90 TO 98% MIL STD 883 1004 Salt atmosphere盐雾试验 10 to 50 gr of NaCl /metres 2 35C MIL STD 883 1009常用可靠性试验汇总表 (5)TestTestTest conditionTest conditionSimulated Simul
26、ated environmentenvironmentApplicable Applicable standardsstandardsMechanical shock5 shock pulses of g-level and duration as per device specification along a particular axisavionics or spacecraft launch environmentMIL-STD-2002Vibration variable frequency variation from 20 to 2,000Hz and back to 20Hz
27、, duration of more than 4 minavionics or spacecraft launch environmentMIL-STD-2007 Constant acceleration 30000 G 1min, MIL-STD-2001Solderability 215 to 245C 3 to 5 seconds JEDEC B102B（五）失效模式和失效分析（五）失效模式和失效分析Distribution of failure in Distribution of failure in commercial ICcommercial IC 失效模式 芯片工艺引起的
28、失效 封装引起的失效失效模式芯片工艺引起的失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，裂纹失效模式封装工艺引起的失效 键合不良金属间化合物；焊球脱焊 塑封裂缝湿气侵入；键合线断裂 塑封料流变空洞；键合线断裂 塑封应力芯片裂纹；铝膜变形；键合线断裂 温度循环后芯片和框架间黏结变坏失效分析流程失效器件足够信息数据分析外观检查使用信息失效分析流程（续）需X线？测试X-ray专门测试？烘烤图示仪测试气密封装？Burn-in测试Fail气密测试失效分析流程（续）开封测试目检异常？失
29、效机理清楚？应用分析技术改进措施失效分析技术工具 Sophisticated bench testing equipment: Curve trace （图示仪）; Bench Testing Microprobing Package analysis: X-ray;Acoustic microscope（声学显微镜） Decapsulation techniques（开封技术） Chemical and dry depassivating method（去除钝化层技术）失效分析技术工具 Internal visual inspection（目检）: Microscope（显微镜） Scann
30、ing electron microscope（扫描电子显微镜） Defect location: Emission microscope(发射电子显微镜）， Liquid Crystal Analysis(液晶） 其他： SIMS（二次离子质谱）,FIB（聚焦离子束）,XPS（X射线光电能谱仪）,AES（俄歇能谱仪）X射线成像术声扫描显微镜成像原理(1)What are Ultrasonic Waves?Ultrasonic waves refer to sound waves above 20 kHz (not audible to the human ear)Characteristic
31、s 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 Harmless to the human body Non-destructive to materialSONARA-Scans are the raw ultrasonic
32、 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 (%FSH) units are used instead of voltage. The Digital Oscilloscope displays A-Scans in the
33、Sonix software. Initial Pulse - Occurs when pulser discharges and transducer oscillates.Time = 0Sec Time = 0 Initial PulseFront SurfaceDie2nd EchoesWater PathVoltageTime (micro-seconds)TransducerRegion of Interest11223344Pulse-Echo声扫描显微镜成像原理(2)失效机理分析 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械原因包括一般的冲击、振动（如汽车发动机
34、罩下面的电子装置）、填充料颗粒在硅芯片上产生的应力、惯性力（如加农炮外壳在发射时引信受到的力）等，这些负荷对材料和结构的响应有弹性形变、塑性形变、弯曲(buckle)、脆性或柔性断裂(fracture) 、界面分层、疲劳裂缝产生及增殖、蠕变(creep)及蠕变开裂等容易开裂的部位金属疲劳引起的断裂失效分析热的原因包括芯片粘结剂固化时的放热、引线键合前的预加热、成型工艺、后固化、邻近元器件的重新加工(rework)、浸锡、波峰焊、回流焊等，热负荷造成的影响在于材料的热膨胀，由于材料之间的CTE失配，引起局部应力，导致失效 失效分析电的原因突然的电冲击（如汽车发动时的点火）、由于电压不稳和电传输过
35、程中突然的振荡（如接地不良）而引起的电流波动、静电电荷、电过载或输入电压过高、电流过大，电负荷造成介电击穿、电压表面击穿、电能的热损耗、电迁移，还会引起电锈蚀、由于枝蔓晶生长而引起的漏电流、电热降解等 失效分析辐射原因封装材料中微量的放射性元素（如铀、钍等放射性元素）引起的粒子辐射，尤其对存储器有影响，会引起器件性能下降及包封料的降聚作用，在器件表面覆盖聚酰亚胺涂层或用人工合成的填充料都是解决的途径 失效分析化学原因环境造成的锈蚀、氧化、离子表面枝蔓生长等都会引起失效，而潮湿环境下的潮气进入则是最主要的问题，进入塑封料中的潮气，会将材料中的催化剂等其它添加剂中的离子萃取出来，生成副产品，进入芯
36、片上的金属焊盘、半导体结构、材料的界面等，激活失效机理 开裂产生及延伸钝化层开裂界面分层分层Cross-sectional view using TOF and amplitude data. Allows you to see: Voids Die Tilt Package CracksTop of PackageDiePopcorn CrackDelamination & Crackball lift-off化学锈蚀Cl- Na+Fe+LeadCorrosionMicro gapMoistureIon MigrationAl+4Cl- -Al(Cl)-4+3e-2Al(Cl)-4+6 H2O- 2Al(OH)3+6H+ + 8Cl化学锈蚀（例）ESD失效（例）
