电路基础及评价 7

集成电路可靠性设计与评价第三章3.2节与封装有关的失效机理3.2、与封装有关的失效机理3.2.1、封装材料α射线引起的软误差3.2.2、水汽引起的分层效应3.2.3、金属化腐蚀3.2.4、键合引线失效3.2.5、3D封装电路的常见失效机理3.2、与封装有关的失效机理3.2.1封装材料α射线引起的软误差放射性杂质来源铀(U)或钍(Th)等放射性元素是集成电路封装材料中天然存在的杂质，这些材料发射的α粒子可使集成电路发生软误差。物理作用过程α粒子进入硅中，在粒子经过的路径上产生电子-空穴对电子-空穴对在电场作用下被电路结点收集引起电路误动作，导致存储电荷丢失或信息翻转软误差的改进措施123通过减少封装材料中铀、钍等放射性元素的含量，降低α粒子的来源在芯片表面涂覆聚酸胺系列有机高分子化合物等阻挡层，有效阻止α粒子射入芯片中增加存储单元单位面积的电荷存储容量，采用介电系数大的材料或沟槽结构电容45采用纠错码(ECC)技术，检测和纠正数据传输或存储过程中出现的错误在DRAM等存储器中，采用复杂的时序控制电路缩短位线电压的浮动时间3.2、与封装有关的失效机理3.2.2水汽引起的分层效应失效机理塑封料中的水分在高温下迅速膨胀，使塑封料与其附着的其他材料间发生分离，严重时会使塑封体爆裂，俗称"爆米花"效应。水汽进入途径水汽通过塑料材料本身的微小孔隙渗透进入封装体内部水汽从塑料与金属框架(外引线)的交界面处渗透进入三大危害损伤芯片使钝化层破裂拉断键合引线分层效应的改进措施123减少封装体内部气泡：温度高的树脂放在上面先熔化，填充间隙，空气从流道方向排出，避免进入树脂内部减小金属框架对封装的影响：选用铜质引线框架，达到良好的热匹配，减少热应力引起的分层，增加去除塑封冲制成形时毛刺的工序，减小应力集中电装要求：拆包后必须在24小时内完成器件装配；未装配完的器件需保存在干燥气氛中；超时器件需进行高温烘烤，蒸发表面吸附的水汽一、与封装有关的失效机理1.3金属化腐蚀失效机理化学腐蚀：当集成电路存放在高温高湿环境中时会产生铝的化学腐蚀。干燥空气中：Al表面形成Al₂O₃保护膜；潮湿环境中：产生Al(OH)₃，可溶于酸碱芯片上的Pad被腐蚀阴极电化学腐蚀电化学腐蚀：当集成电路工作于高温高湿环境中时，会产生电化学腐蚀。按铝电极电势区分：阳极腐蚀中铝电极正电位，Cl⁻被吸引反应后Cl⁻减少，但少量Cl⁻可产生进一步腐蚀；阴极腐蚀中铝电极负电位，Na⁺/K⁺被吸引，OH⁻浓度增加，氢氧化铝形成而产生腐蚀金属化腐蚀的改进措施123改用低吸湿性树脂:提高树脂纯度，减少Na⁺、Cl⁻等有害杂质含量降低热膨胀系数:添加耦合剂，改变引线框架形状，改善材料间黏合强度芯片表面加钝化层:采用氮化硅、二氧化硅、磷硅玻璃等材料保护45开发耐腐蚀布线材料:利用等离子体放电铝表面氧化，As、P离子注入提高膜质控制加工和装配工艺清洁度:将封装树脂中的杂质浓度减至最小，最大限度地减少集成电路中的杂质含量。3.2、与封装有关的失效机理3.2.4键合引线失效失效机理失效模式键合金丝弯曲金丝键合焊盘凹陷键合线损伤键合线断裂和脱落键合引线和焊盘腐蚀键合引线的作用是在芯片与金属引线框架之间建立电连接。键合引线的失效会使相应的引脚失去功能，从而使器件失效。引线框架腐蚀引线框架低粘附性及脱层包封料破裂包封材料疲劳裂缝焊接点疲劳键合引线失效的预防措施123固定引线：弯引线时，应将弯曲点和管座间的引线用工具加以固定，防止将过大应力加在管座和引线之间避免反复弯折：不要对引线进行反复弯折，应避免对扁平形状的引线进行横向弯折避免轴向应力：沿引线"轴向"施加过大应力(拉力)时，会导致器件密封性遭到损坏3.2、与封装有关的失效机理3.2.53D封装电路的常见失效机理技术背景主要封装方式芯片叠层封装叠层硅通孔技术在摩尔定律指引下，晶体管尺寸不断减小，芯片性能不断提高。但随着产业发展，电子制造产业正在接近传统CMOS工艺的物理极限。芯片叠层工艺导致的失效123芯片开裂：过大的机械应力造成芯片开裂；芯片和封装材料之间的CTE不匹配；回流焊等温度变化大的工艺中，异质界面产生剪切应力和拉应力分层：芯片与引线框架分层；引线框架与模塑料分层；焊点与基板分层键合失效、碰丝和断裂：键合点开路；键合引线断开；碰丝风险45减薄工艺缺陷：表面粗糙与翘曲；晶圆断裂；晶圆崩裂焊点失效：焊点断裂；Cu₃Sn微焊点中的柯肯德尔孔洞；多孔孔洞；晶界脆化和晶间断裂芯片叠层工艺导致的失效芯片开裂：过大的机械应力造成芯片开裂；芯片和封装材料之间的CTE不匹配；回流焊等温度变化大的工艺中，异质界面产生剪切应力和拉应力分层：芯片与引线框架分层；引线框架与模塑料分层；焊点与基板分层键合失效、碰丝和断裂：键合点开路；键合引线断开；碰丝风险减薄工艺缺陷：表面粗糙与翘曲；晶圆断裂；晶圆崩裂焊点失效：焊点断裂；Cu₃Sn微焊点中的柯肯德尔孔洞；多孔孔洞；晶界脆化和晶间断裂芯片开裂芯片分层封装叠层工艺失效翘曲：基板需要最大限度地做薄，在回流焊过程中，基板温度升高而膨胀导致底部封装体产生较严重的翘曲焊点失效：焊点断裂：IMC机械性能差，受冲击振动时易断裂；柯肯德尔孔洞：Cu过度消耗导致Cu₃Sn层中形成微孔；晶界脆化：微孔沿Ni₃Sn₄晶界扩散形成大孔洞组装回流焊过程中的翘曲TSV晶圆制造导致的失效工艺制程组成TSV晶圆制备晶圆减薄超薄晶圆切割晶圆键合和解键合3D芯片叠层封装

TSV晶圆制造导致的失效TSV开路或短路TSV轴的孔洞线铜与硅基体短接晶圆翘曲电介质分层载流子迁移率降低铜胀出RDL/BEOL结构变形或TSV端部封盖层分层晶圆减薄导致的失效晶圆翘曲：在磨削过程中可能产生各种缺陷，如划伤、裂纹、碎屑和非晶或多晶表面损伤层。这些缺陷会降低硅的断裂韧性，增加晶圆翘曲残余应力累积：在晶圆减薄过程中，晶圆上存在残余应力晶圆级波纹：除晶圆级弯曲外，晶圆级波纹是晶圆在减薄和高温处理后经常出现的一种现象晶圆翘曲导致的断裂超薄晶圆切割导致的失效芯片崩裂及微裂纹：：超薄晶圆的切割容易使芯片产生裂纹，裂纹通常可以分为两种：一种是贯穿式裂纹，另一种是微裂纹切屑和硅侧壁微裂纹：高金属含量的划道会增加刀片的负荷，增加划道上形成的切屑数量，这可能会在硅侧壁导致微裂纹介质裂纹和分层：由于力学性能较差，一些低Low-k介质在机械切割过程中存在裂纹和分层风险芯片开路：在激光切割过程中，硅和Low-k介质可能会产生材料碎片，并在晶圆表面重新沉积，这会在芯片连接过程中导致开路贯穿式裂纹微裂纹晶圆键合和解键合导致的失效键合质量下降：晶圆表面纳米级或亚纳米级槽中的表面污染或冷凝水分会对流体在键合表面的润湿产生负面影响表面条纹：在旋涂过程中，阻碍正常流体流动的表面大尺寸粒子会在涂层中形成条纹晶圆翘曲、总厚度变化增加、分层，甚至开裂：在键合和解键合的处理过程中，晶圆会经历多次热循环，结构层间热膨胀系数的差异会使晶圆叠层在冷却过程中产生应力非接触性开路：在键合和解键合过程中，随着焊料体积的缩小，微凸点燥料扩散到底部UBM（凸点下金属化层）的问题越来越严重微凸点在回流焊过程中显示轻微扁平和严重扁平3D芯片叠层封装导致的失效弯曲、分层、断裂失效：芯片经剪薄后，其强度和抗应力能力会降低，因此引线框架和芯片之间热膨胀系数的差异及过大的贴片外力都会导致芯片发生弯曲、分层，甚至断裂失效芯片空隙填充分层、焊点短路、电化学迁移或腐蚀：助焊剂可能会在芯片填充空隙残留，并造成芯片空隙填充分层、焊点短路、电化学迁移或腐蚀等可靠性风险焊点开裂、漏焊、孔洞、桥连、润湿不良：新型封装