异质集成技术 3

先进封装的可靠性与失效分析一、可靠性基本概述二、质量等级与可靠性试验三、封装失效模式与失效机制四、失效分析流程五、封装电气失效的无损故障隔离六、先进封装系统中的成像与分析规定时间规定条件规定功能一、可靠性基本概述可靠性定义可靠性则是指产品在规定的使用条件下，能够持续地、正常地发挥其功能，而不发生故障或损坏的能力或可能性。既包括产品的工作时间（如循环次数、操作次数等），也包括日历时间包括环境条件和工作条件产品必须达到的各项技术性能指标可靠度失效分布函数失效密度函数失效率失效三个阶段产品的失效通常包括三个阶段：早期失效期、稳定服务期和加速耗损期。失效率随时间分布的浴盆曲线123早期失效期：产品可能由于制造过程中的缺陷而出现故障，导致较高的失效率稳定服务期(偶然失效期)：器件通常处于正常运行状态，失效率相对稳定且较低，可近似看作常数加速耗损期：随着产品老化和环境应力的作用，失效率开始逐渐增加封装产品寿命通常，可以采用平均失效前时间(MTTF)、平均失效间隔时间、中位寿命和封装损耗寿命等来表征集成电路封装产品的寿命。平均失效前时间平均失效间隔时间中位寿命封装损耗寿命标准IPC9701A-2006发生失效前能够正常工作的平均时间产品在每次故障间隔期间的平均工作时间产品工作到刚好一半数量失效时的工作时间加速试验方法，以评估封装的耗损失效期寿命实际应用场景中，集成电路器件的封装失效主要发生在耗损失效期根据加速试验应力种类与封装失效机理的不同，几种用于表征封装可靠性的代表性寿命指标包括：高温稳态寿命、低周热疲劳寿命、高周振动疲劳寿命、电迁移寿命、封装存储寿命等质量等级质量等级是衡量电子产品在质量层面上分类的关键指标，它综合反映了产品在多个维度上的性能优劣二、质量等级与可靠性试验电子产品中最为严苛且顶尖的质量等级，专门应用于对可靠性要求极高的航空航天领域。例如，在混合集成电路领域，依据GJB2438B—2017标准，宇航级以K级作为标识；而在半导体分立器件领域，则遵循GJB33A—1997标准，以JY作为宇航级的代号。宇航级质量等级主要应用于生产成本较低、面向广大消费者的电子产品，如智能手机、个人电脑及家用电器等。商业级产品的设计与生产更加侧重于成本控制，以满足普通用户的日常需求为主，其工作温度范围通常限定在0℃至+70℃之间。军用级质量等级H级代表混合集成电路的军用标准，B级则代表半导体集成电路的军用等级。军用级产品的设计充分考虑了极端环境下的使用需求，其工作温度范围通常设定为-55℃至+125℃。工业级质量等级相较于军用级略低一档，主要适用于工作环境相对宽松的工业场合。根据JESD52标准的界定，工业级产品的工作温度范围被设定为-40℃至+85℃，能够满足大多数工业应用的需求。工业级质量等级可靠性设计原则可靠性设计是指在产品设计过程中，为满足预定的可靠性要求，将性能指标与可靠性指标进行综合分析与设计的系统性过程16适应环境应力：热应力管理、机械应力管理、湿度和化学应力管理2结构设计合理化：应力分布均匀化、冗余设计3优化材料选择：材料兼容性、低热膨胀系数差异4可靠性测试与验证：加速老化测试、环境适应性测试5工艺控制与一致性：制造工艺优化、质量控制与检测适应环境应力：设计寿命考虑、维护和修复设计可靠性试验项目主要关注产品在各种使用条件下的长时间表现，通常为破坏性测试或对产品性能有影响的测试。必须明确规定测试条件，包括环境条件（如温度、湿度、振动等）、负载及工作方式等。测试时间的设定尤为关键，因为它决定了能否有效观察产品在不同时间段内的可靠性变化：环境试验寿命试验机械试验预应力试验温度循环试验热冲击试验高温存储试验高温存储试验高温高湿试验压力烹饪试验无偏置高度加速应力试验加偏置高度加速应力试验低温存储试验可靠性加速模型加速试验是一种在不改变产品失效机制的前提下，通过强化测试条件，使产品在短时间内出现失效的测试方法。这样能够在较短的时间内获取产品在正常条件下的可靠性或寿命评估数据。Arrhenius模型Black模型Peck模型最常用的高温耐久性加速模型电迁移寿命与温度、电流密度之间满足Black方程根据大量不同的寿命研究得到的一种经验模型，用于预测产品在湿热环境中的寿命

基于Arrhenius模型的温度加速因子失效模式三、封装失效模式与失效机制集成电路封装失效类型通常，电应力引发的失效主要集中在半导体芯片上，而环境应力则更多地影响封装部分。然而，无论是电应力还是环境应力，其最终都可能导致集成电路的电性能下降，甚至功能完全丧失。集成电路封装中的失效模式包括芯片裂纹、粘接空洞、键合不良、腐蚀、引线断裂、引线偏移、封装材料空洞和分层等失效机理失效机理是指产品在失效过程中，材料和结构在微观层面发生的物理、化学或瞬态变化过程封装中焊点的主要失效在机械与热力学应力的共同作用下，焊点的退化失效主要呈现出疲劳、蠕变和脆性断裂等形式。同时，在辐射和光电环境下，焊点内部易发生电迁移和介质击穿等；而在潮湿环境中，焊点则易遭受腐蚀等。封装失效分析流程芯片失效分析是通过一系列步骤来确定芯片失效的根本原因的过程。样品失效情况调查...电特性测试（失效模式确认）非破坏性分析X射线检查超声波显微镜扫描外观检查开封失效定位分析破坏性分析电镜内部观察物理分析...内部气氛检测原因确认四、封装失效分析故障隔离（FI）故障隔离旨在定位故障的位置，通过各种测试方法缩小问题范围；而失效分析则深入挖掘故障根源，理解故障发生原因五、封装电气失效的无损故障隔离技术基于开路和短路的故障隔离技术可以提供缺陷的三维信息，来缺陷定位和失效分析中发挥重要作用。为了更快速、更有效率地揭示复杂封装中的多个故障，多种无损的故障隔离技术被用来进行电气失效的故障隔离，包括时域反射（TDR）测试、光电太赫兹脉冲反射（EOTPR）测试、锁相红外热成像（LIT）以及扫描超导量子干涉显微镜（SQUID/SSM）等高分辨无损成像技术在复杂的三维封装中，需要使用高分辨率的无损成像技术来准确筛选和识别缺陷六、先进封装系统中的成像与分析常用的高分辨无损成像技术包括超声波扫描显微镜（SAM）、二维X射线成像、三维X射线计算机断层扫描（CT）、红外成像（IR）等材料分析技术封装失效分析中的材料分析技术扮演着关键的角色，能够帮助确定器件失效的根本原因，从而改善封装质量和可靠性。六、先进封装系统中的成像与分析失效分析过程中，可以联合应用多种材料分析技术，如能量色散X射线光谱（EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、基于原子力显微镜的红外光谱（AFM-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和电子背散射衍射（EBSD），这些技术可以提供关于研究区域材料的元素成分、光谱指纹、化学成分和化学状态、深度剖面和晶体结构等方面的信息。技术分析能力分辨率优缺点EDX元素分析，定性和定量分析微米级至纳米级优点：与电子显微镜结合缺点：对小原子序数元素不敏感FTIR化学成分和状态分析，检测分子振动和转动模式微米级优点：适用于有机材料缺点：样品制备困难;不适用于亚微米分析AFM-IR检测表面化学成分和纳米级结构纳米级优点：适用于有机材料缺点：样品制备困难;缺乏库的支持XPS表面元素化学状态分析，检测表面成分和化学性质微米级至纳米级优点：分析深度小于2~5nm缺点：不可探测氢和氦T