集成电路封装与测试技术 课件 第3章-封装可靠性设计与失效分析

集成电路封装与测试技术第三章封装可靠性设计与失效分析一、可靠性设计概述二、可靠性设计三、集成电路封装失效机理四、失效预防五、本章总结规定时间规定条件规定功能一、可靠性设计概述可靠性定义可靠度是指在规定的时间内，产品在特定使用条件下执行规定功能并成功完成任务的概率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可靠性概念最早由美国电子设备可靠性咨询组(AGREE)于1957年在《军用电子设备可靠性》研究报告中提出，并一直沿用至今产品失效的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失效率是单位时间内失效产品数与尚在工作的产品数之比，其随时间变化的曲线称为浴盆曲线常见的封装失效分布函数失效分布函数是描述产品在其生命周期中失效行为的一种数学模型

韦布尔(Weibull)分布正态分布指数分布电子产品不同阶段的失效特性不同，需要采用不同的失效分布函数来描述产品的寿命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关键寿命指标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、质量控制与检测考虑全生命周期可靠性：设计寿命考虑、维护和修复设计可靠性试验可靠性试验是用于评估产品在特定时间段内的耐用性和寿命合理性的关键方法。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可靠性试验需明确规定测试条件，包括环境条件（如温度、湿度、振动等）、负载大小、工作方式等；同时，测试需要规定测试时间。常见的可靠性试验类型包括：环境试验使用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低温存储试验高温高湿试验压力锅试验无偏置高加速应力试验加偏置高加速应力试验温湿度偏置试验可靠性加速模型在可靠性试验中，加速模型是通过在产品上施加高于正常使用条件的应力，从而缩短产品失效时间的一种方法。通过这种方法，能够在较短的时间内获取产品的寿命数据，并外推其在正常工作条件下的寿命Arrhenius模型Coffin-Manson模型Peck模型Black模型最常用的高温耐久性加速模型用于描述温度循环应力下的低周疲劳寿命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电迁移寿命与温度、电流密度之间满足Black方程二、可靠性设计可靠性设计指标主要集中在控制产品在各种应力条件下的失效模式，特别是针对失效率、寿命和极限应力等指标要求封装可靠性设计主要包括封装可靠性结构设计、热设计、耐环境设计与可制造性设计等方面可靠性设计指标是指在可靠性设计过程中所需达到的目标，是开展可靠性设计的首要步骤主要性能参数指标环境适应性指标可靠性指标主要失效模式控制指标可靠性设计指标分解将产品的可靠性指标细化到设计层面的过程，涵盖热设计、机械可靠性、耐潮湿设计、抗电磁干扰设计、抗辐射设计等，并考虑多种应力耦合效应的控制指标，以建立完整的可靠性设计指标体系。这一过程旨在为设计阶段提供可操作和可验证的可靠性指标常见的可靠性设计指标环境应力类型可靠性环境适应性温度基本失效率退化寿命热疲劳寿命瞬态极限高温极限温冲（次数）机械应力振动疲劳极限机械冲击（次数）极限离心力（次数/加速度）湿度腐蚀寿命迁移寿命放电打火极限湿度露点极限低温电子产品的主要可靠性设计指标在制定可靠性设计指标时，必须综合考虑产品的使用环境、验证方法、设计能力、成本及开发周期等因素可靠性设计流程包括传统的基于可靠性试验和失效率预计的设计方法，以及近年来迅速发展并被广泛应用的基于失效物理（PoF）的设计方法基于失效物理的可靠性设计方法核心技术链潜在失效机理分析热失效机械损伤潮湿腐蚀电磁干扰辐射损伤应力耦合多机理可靠性设计指标分解热设计指标接卸设计指标耐湿设计指标电磁抗扰指标抗辐射加固指标多应力机理指标潜在失效机理评估热仿真验证、评估机械特性仿真、评估潮气扩散仿真、评估电磁仿真扫描验证RHA等级/单粒子效应多机理竞争评估优化设计分析元器件、结构结构、材料灌封、密封工艺电路布线、丝线器件抗辐射能力耦合损伤控制温度机械潮湿电磁辐射多应力...可靠性设计流程基于失效物理的可靠性设计流程主要包括三个部分：输入信息的确定、PoF分析以及设计参数的输出基于失效物理的可靠性设计流程封装缺陷封装失效三、集成电路封装失效机理集成电路封装失效类型集成电路的失效主要分为半导体芯片失效和封装失效。通常，电应力诱发的失效多聚焦于半导体芯片内部，而环境应力则更多地影响封装层面在集成电路的制造和组装过程中产生的瑕疵，这些缺陷往往具有难以预测及随机发生的特征当热、机械、化学或电气作用导致产品性能不符合要求时，即产品性能参数和特征超出了可接受范围，可认为发生了失效。缺陷的存在不仅会引发封装器件的失效机理，还可能加速其它过程，从而导致早期且难以预见的失效为预测失效，可以采用失效机理模型，也可以通过优化设计来选择合适的材料和封装参数。此外，采用加速试验可以验证和识别出有早期失效倾器件集成电路封装失效类型可能的失效模式包括芯片裂纹、黏结空洞、键合不良、腐蚀、引线断裂、引线偏移、封装材料空洞和分层等。这些失效模式主要是由机械应力、热应力、环境因素和制造工艺缺陷引起的。此外，还有其他可能的失效模式，如热疲劳、电迁移和电介质击穿等封装失效主要类型集成电路封装中可能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疲劳失效分层气相诱导裂缝（爆米花现象）脆性断裂韧性断裂翘曲引起的失效疲劳失效疲劳是指由于反复施加循环荷载而引起的材料强度逐渐减弱。疲劳断裂是一种在材料承受其极限强度范围内的周期性应力作用下，因累积损伤而最终导致断裂的失效模式。疲劳失效是最常见的失效机制之一。这种失效机制主要发生在金属、聚合物和陶瓷中，其中，陶瓷材料最不容易发生疲劳断裂分层分层(剥离)，主要是指不同物质在接触面产生分离和缝隙，空气、水或酸碱液进入，引起电性能失效或产生失效隐患的现象。湿气是引起分层的关键因素之一塑封中的分层现象气相诱导裂缝（爆米花现象）此现象源于封装体内部的水汽在高温下迅速膨胀所产生的巨大压力，以及由此引发的内部应力集中，最终导致封装体出现裂缝爆米花产生过程在集成电路封装的表面组装过程中，特别是在塑封器件被焊接到PCB的回流工艺阶段，爆米花现象失效模式尤为显著。脆性断裂脆性断裂通常发生在低屈服强度和非弹性材料中，如陶瓷、玻璃和硅，其在破裂前几乎不表现出塑性变形，并且能量吸收能力极低韧性断裂判断脆性材料是否会发生断裂的常用准则是分析材料内部的最大主应力。当最大主应力达到某个临界值时，材料就可能发生脆性断裂脆性材料与韧性材料的应力-应变关系韧性断裂是材料在受到外力作用时，展现出显著塑性变形并最终断裂的一种断裂模式。塑性变形是一种与时间无关的变形机制，当施加的机械应力超过材料的弹性极限(即屈服点)时，材料便会发生塑性变形与弹性变形不同，塑性变形是不可逆的，当外部载荷移除后，材料中的塑性变形仍然保留，而弹性变形则会随载荷的移除而消失翘曲引起的失效翘曲的程度受到材料的热膨胀系数、弹性模量、厚度以及温度变化的影响。在集成电路封装中，翘曲是不可避免的现象，可能会在封装的各个层级中出现虽然翘曲本身不一定直接导致封装失效，但过度的翘曲可能引发装配和制造缺陷，如焊点开裂、键合失效和封装分层等问题，进而影响整个系统的可靠性塑封器件的翘曲模式包括内凹、外凸及其组合模式翘曲是指材料在平面外的位移，通常发生在两种具有不同热膨胀系数(CTE)的材料相互黏结并经历温度变化时。由于热膨胀不一致，这些材料组合在热偏移过程中会产生弯曲，从而导致翘曲，材料通过翘曲变形来释放因温度变化而产生的内应力常见的集成电路封装失效不同的封装形式会导致失效在不同位置发生，并且表现出不同的失效现象失效位置失效现象失效机理环境载荷加工、切割或处理时引起的芯片边缘、角落或表面划痕剥离裂缝、纵向裂缝,水平裂缝、电气开路裂缝萌生与裂缝扩展温度梯度与温度变化金属导线、边缘腐蚀、阻值增加、电气短路或开路、电参数漂移、间歇性断开、金属间化合物电迁移、氧化、电化学反应、互扩散、塑封料的热失配电流密度、湿度、偏压芯片钝化层金属化层腐蚀、电气开路、参数漂移过应力、断裂、氧化、电化学反应周期性的温度、玻璃化转变温度以下的温度、湿度芯片黏结空洞、开裂、污染位置芯片分层、应力从芯片到芯片底座的不均匀传递、电气功能丧失裂缝萌生和扩展周期性温度键合线断裂轴向疲劳周期性温度键合球电气开路、接触电阻增加、电气参数漂移、键合处剥离、缩孔、间歇性断开剪切疲劳、轴向过应力、柯肯德尔空洞、、腐蚀、扩散与相互扩散、键合底部金属化合物、线径过细绝对温度、湿度、污染键合焊盘衬底开裂、键合盘剥离、电气功能丧失、电参数漂移、腐蚀过应力、腐蚀湿度、偏压芯片与塑封料界面电气开路黏结不良或分层湿度、污染和塑封料玻璃化转变温度附近的温度循环钝化层与塑封料界面金属化层腐蚀电参数偏移黏结不良或分层湿度、污染和塑封料玻璃化转变温度附近的温度循环键合线与塑封料界面芯片底座腐蚀、接触电阻增加、电气开路黏结不良、剪切疲劳湿度、污染和塑封料玻璃化转变温度附近的温度循环塑封料电气功能丧失、机械完整性损失热疲劳开裂、降解塑封料玻璃化转变温度附近的温度循环引脚可焊性下降、电阻增加反润湿污染、焊料温度镀锡引脚电气短路锡须生长湿度、腐蚀、施加外部应力（弯曲、擦伤）芯片和塑封料界面,芯片角落处以及引脚、底座或器件顶部的塑封料开裂爆米花、电气功能丧失、电气开路残留湿气汽化、器件底部掺杂、塑封料开裂温度、温度变化集成电路封装失效机理指产品失效过程中失效部位的材料和结构发生微观变化的物理、化学或瞬变过程，这些失效机理与产品失效过程中所承受的各种应力（如机械应力、热应力）密切相关封装失效分析方法利用各种分析和测试手段确认失效模式和失效机理，分析可能的失效原因。包括：明确失效对象、确认失效模式、探究失效机理、推断失效原因、提出改进措施基本原则:先外部分析，后内部分;先进行非破坏性分析，后进行破坏性分析样品失效情况调查...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...检漏内部气氛检测失效原因确认失效发生失效分析报告四、失效预防封装中的热致失效预防集成电路的失效与温度密切相关，半导体器件的失效速率呈指数关系随温度升高而增加热致失效其主要类型包括：CTE不匹配导致的开裂失效、热循环疲劳导致的开裂失效、热应力过大导致的失效以及芯片过热导致的失效等集成电路封装的热失效类型一、材料选择二、封装结构设计三、封装工艺控制四、热管理设计热膨胀系数匹配高温稳定材料应力缓解结构优化焊点设计精确控制焊接温度严格的热循环测试高效散热器、热导管或热界面材料在封装的失效预防中，需要综合考虑封装结构设计、封装工艺控制、以及热管理设计等多方面因素封装中的热致失效预防如使用柔性引线框架或增加缓冲层优化焊点形状和大小，分散应力，降低在热循环中疲劳失效的风险应选择热膨胀系数相近的材料使用具有高温稳定性的材料(如高温共晶焊料、耐高温树脂)过高或过低的焊接温度都会影响焊点的质量，进而导致热失效进行严格热循环测试模拟产品在实际工作环境中的温度变化情况将热量从芯片和封装体快速导出，减少内部的热应力在集成电路封装中，对于机械失效的预防至关重要，特别是在振动和冲击应力的环境下。有效的预防策略通常可以分为主动式和被动式预防，目的是通过“隔振减振”手段来降低结构响应从而提升产品的可靠性封装