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 Ra
2、te?(t)=?(t,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/Ndt Fr=Nf/Ndt Nf 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 M
3、TTF(Mean 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-0.52 f(t)=1/(2?)Exp-1/2(t-?)/?-0.5t F(t)=1/(2?)Exp-0.5(t-2?)/?dt?Webull分布?-(t/?)F(t)=1-e?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 地面 线性IC 数字SSI/MSI 存储器，微处理器 3
4、0.97 2.3 应用环境 民用飞机 5.4 10 14 汽车 32 11 13 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 percent of sets failure mean time to failing per rate(FIT)failure(year)month 10 51 0.16 100 5 1.6 16 1000 0.5（二）失效规律浴盆曲线（二）失效规律浴盆曲线 浴盆曲线 Early Life Failure 早期失效期 Useful Life 偶然失效期 Wearout 耗损失效期 失 效 速 率 时间 早期
5、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
6、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
7、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
8、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 tdb Qbd?J(t)dt TDDB测试 TDDB TDDB 电迁移现象-nMTF=AJ exp-EA/kT MTF=20 年 Jmax=105A/cm2 电迁移测试%积累失效90 70 50 30 10 Pure Al Al-4%Cu J=4E6A/cm2 T=175 610 100 400
9、 1000 MTF(hr)热电子效应 Ig Vs Vgs Vd N+N+Isub Vb 热电子效应测试?NMOS 0.5um 5V design?测试方法 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 ttf?Ids=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)
10、?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),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 高温存放 所排除的故障 筛选方法 温度循环 振动 偏压试验 表面沾污，氧化层125-150C 针孔 24-168 hr 表面沾污，键合不(-65C)/150C)良，芯片黏结不良 250 cycle 键合不良，芯片开数十g,50Hz振裂，引线开短路 动10-
11、60s 金属颗粒，沾污，10-150C,针孔 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
12、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
13、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，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）Test No of Use Temp Device Hr Temp At TTEST
14、 135C 434750 55C 加速因Epqivalent 子 At Device Hr 55C 128 55648000 125C 211000 55C 77 16247000 可靠性试验种类?环境试验 高温储存，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
15、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功率管(例如600V/4A)oo条件：125 C or 150 C，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 Tested 71 Total Devices Tested Total Equiv.
16、Devices Hours 125oC Number of Failure Failure Rate(FIT)125oC 60%UCL 2031 1959430 0 470 Failure Rate(FIT)90oC 60%UCL MTTF(Years)125oC 60%UCL 28 243 MTTF(Years)90oC 60%UCL 4060 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
17、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：o 121 C/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
18、件：THB 85oC/85%RH，Vccmax static bias，1000hrs HAST 130oC/85%RH/2atm，Vccmax bias，100hrs （24hrs HAST1000hrs THB）?目的：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)Simulated Simulated Test Test Test condition Test condit
19、ion environment environment Low-10/Vcc max/max field operation temperature frequency/min 1,000 in sub-zero operating device hr/outputs environment life loaded to draw rated 低温工作寿命 current High-+125 or 150/Vcc field operation temperature max/max frequency/min in normal operating 1,000 device environm
20、ent life hr/outputs loaded to 高温工作寿命 draw rated current Temperature cycling 温度循环 Applicable Applicable standards standards JEDEC-STD-22 TM-A 106 MIL STD-883 method 1005 500 cycles,-65 to day-night,MIL-STD-883+150 at a ramp rate seasonal,and method 1010C of 25/min and with other changes in 20 min dwe
21、ll at each environment temperature extreme temperature 常用可靠性试验汇总表(2)Simulated Simulated Applicable Applicable Test Test Test condition Test condition environment environment standards standards Temperature 60 cycles,Vcc slow changes in JEDEC STD-22 cycling,ON/OFF at 5-min environment TM-A 104 humidi
22、ty,and interval,95%RH,+30 conditions while bias to+65 with device is heating and cooling operating time of 4hr each and a dwell of 8hr at each temperature extreme JEDEC STD-22 Power and only on devices changes in temperature experiencing rise in environment TM-A 106 cycling junction temperature temp
23、erature 功率和温度循 greater than 20;while device is 环 min 1,000 cycles of operating 40 to+125 常用可靠性试验汇总表(3)Simulated Simulated Applicable Applicable Test Test Test condition Test condition environment environment standards standards 500 cycles of 55 to rapid change in MIL-STD-883 Thermal shock 热冲击+125 fi
24、eld or method 1011B handling environment High tempera-150,for 1,000hr storage ture storage min 高温存储 Temperature Vcc operation in humidity bias max/85/85%RH/1,000 high-humidity hr min environment Highly Vcc operation in accelerated max/130/85%RH/240h high-humidity stress test r min environment MIL-ST
25、D-883 method 1008 JEDEC STD-22 TM-A 108 JEDEC STD-22 TM-A 110 常用可靠性试验汇总表(4)Test Test Test condition Test condition Simulated Simulated environment environment Applicable Applicable standards standards Pressure 121C 2atm cooker 96 to 240 hr(autoclave)Moisture resistance 10 cycle 25 to 65C RH=90 TO 98
26、%JEDEC A102B 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)Test Test Mechanical shock Simulated Simulated Test condition Test condition environment environment 5 shock pulses of g-avionics or level and duration spacecraft as per device launch s
27、pecification along environment a particular axis variation from 20 to 2,000Hz and back to 20Hz,duration of more than 4 min avionics or spacecraft launch environment Applicable Applicable standards standards MIL-STD-2002 Vibration variable frequency MIL-STD-2007 Constant 30000 G 1min,acceleration Sol
28、derability 215 to 245C 3 to 5 seconds MIL-STD-2001 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 59%6%15%3%3%3%4%7%lead short/openoxide/passivation failureEOS/ESDdie fractureelectrical testingwire bondsconductor failureother失效模式?
29、芯片工艺引起的失效?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 布线失效 输入输出反向电流增大，氧化层可动耐压降低，Vt漂移 电荷 电极间开路，无功能 金属电迁移，金属腐蚀 氧化层针孔，裂纹 氧化层缺陷 电极间短路 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 使用信息 足够 信息 数据分析 外观检查 失效分析流程（续）X-ray 需X线？图示仪 测试 专门测 试？烘烤 Fail
30、 Burn-in 测试 测试 气密封装？气密测试 失效分析流程（续）开封 测试 改进措施 目检异常？应用分析 技术 失效机理 清楚？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?Interna
31、l visual inspection（目检）:Microscope（显微镜）?Scanning 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(n
32、ot audible to the human ear)SONAR 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?Harmless to the human body?Non-destructive
33、 to material 声扫描显微镜成像原理(2)Transducer Pulse-Echo Voltage 1 4 Time=0 Initial Pulse 1 Time (micro-seconds)Front Surface Die Water Path 2 2 3 3 Region of Interest 4 2nd Echoes 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
34、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 Sonix software.Initial Pulse-Occurs when pulser discharges and transducer oscillates.Time=0Sec 失效机理分析?机械原因
35、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，
36、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
37、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 Delamination&Crack Cross-sectional view using TOF and amplitude data.Allows you to see:?Voids?Die Tilt?Package Cracks Top of Package Die Popcorn Crack ball lift-off 化学锈蚀 Cl-Na+Lead Corrosion Fe+Ion Migration Micro gap Moisture Al+4Cl-Al(Cl)-4+3e-2Al(Cl)-4+6 H2O-2Al(OH)3+6H+8Cl 化学锈蚀（例）ESD失效（例）
