1、集成電路技術講座第十三講集成電路可靠性Reliability集成電路可靠性（一）可靠性概念和表征方法（二）失效規律浴盆曲線（三）硅片級可靠性設計和測試（四）老化篩選和可靠性試驗（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 集成電路的可靠性是指集成電路在預期壽命內，在規定的條件下正常工作的概率即集成電路能正常使用多長時間 Unreliability F(t)=r/n n 總樣品數 r失效數 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) （用于常數失效區） Fr=Fr=Nf/NdtNf/NdtNf 失效數 Ndt器件數和試驗小時數乘積 FITFIT(Failure In Time)=Fr*109 1 1小時內每小時內每10109 9個個(10(10億億) )器件中有一個器件失效器件中有一個器件失效時，稱為時，稱為1FIT (ppb),1FIT (ppb),或或10001000小時內每小時內每10106 6個個(100(100萬萬) )器件中有一個器件失效時，稱為器件中有一個器件失效時，稱為1FIT 1FIT 平均失效時間 MTTF(Mean

3、Time to Failure) =1/Fr與失效速率有關的函數在給定時間間隔dt中失效的總數分數可用函數f(t)dt表示，f(t)為失效速率，累積失效數目是該函數對時間的積分， 即為累積失效函數可靠性函數定義為在時間為t時仍未失效的總數分數 失效函數的描述 正態分布 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/) 為器件的特征壽命 為形狀函數塑封器件現場統計失效率例(FIT)器件類型應用環境地面民用飛機汽車線性IC35.432數字SSI/MSI0.971011存儲器，微

4、處理器2.31413美國可靠性分析中心（90年代）器件失效對系統性能的影響 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）失效規律浴盆曲線（二）失效規律浴盆曲線浴盆曲線EarlyLife Failure早期失效期UsefulLife偶然失效期Wearout耗損失效期時間失效速率早期失效期器件的早期失效速率很快，且隨時間迅速變小，早期失效原因主要是由于設計和制造工藝上的缺陷引

5、起例如：氧化物針孔引起柵擊穿，壓焊不牢引起開路通過加強制造過程質量管理來減少早期失效老化篩選可以幫助剔除這些早期失效產品。有用壽命期（隨機失效期）浴盆曲線中第二個區域特點是失效速率低且穩定，幾乎是常數，該區域的長短則決定了器件的使用壽命。影響此壽命的因素有溫度，濕度，電場等最大因素是芯片溫度失效機理有如：潮氣滲入鈍化層引起金屬銹蝕；金屬間化合物生長引起的疲勞失效；潮氣沿界面滲入引起封裝開裂等。該段時間也是產品在客戶手中使用和系統的預期壽命，在該范圍內的失效速率與系統失效緊密相關耗損失效期在曲線的最后區域，失效速率急劇上升，意味著封裝器件達到了預期壽命，諸如開裂和過度的應力不可能對該區域有重大影

6、響，因為這些問題造成的失效應更早出現。引起該失效的最典型的原因是較慢銹蝕過程的累積效應。失效速率開始快速上升的時間應該超過系統的預期壽命，以保證消費者的質量要求。（三）硅片級可靠性設計和測試（三）硅片級可靠性設計和測試硅片級可靠性（工藝可靠性）硅片級可靠性（工藝可靠性） 產品可靠性取決于設計，工藝和封裝 相同設計規則，相同工藝和封裝的不同產品應有相同的可靠性水平 可靠性要從源頭設計抓起 可靠性是內在質量，是靠做出來的，不是靠測出來的 可靠性設計 電路設計的可靠性考慮 器件和版圖結構設計的可靠性考慮 工藝設計的可靠性考慮可靠性設計電路設計時的考慮 盡量減少接觸點數目和芯片面積 盡量減少電流和功耗

7、，pn結溫 提高電路冗余度如增加放大級數，減少每級的增益，對邏輯電路，要使噪聲容限和扇出數留有余量 采用輸入保護措施可靠性設計器件和版圖結構設計時的考慮 溝道長度設計要考慮熱電子問題 鋁布線的電流密度應在106A/cm2以下，以防止斷線和電遷移 元件布局，應將容易受溫度影響的元件，遠離發熱元件 在必須匹配的電路中，應將相關元件并排或對稱排列 版圖上防止Latch up的措施 芯片邊緣和劃片道的設計可靠性設計工藝設計時的考慮 氧化膜中的可動離子 氧化膜TDDB水平 選擇表面鈍化膜，防止灰塵和水汽等原因造成的退化(SiO2, PSG, Si3N4, Polymide)硅片級可靠性測試 TDDB測試

8、 電遷移測試 熱載流子測試TDDB 直接評估介質電學特性，硅片級預測器件壽命 測試樣品為MOS電容或MOSFET 四種方式：恒電壓，恒電流，斜坡電壓，斜坡電流 測試參數：Ebd，tbd, Qbd QbdtdbJ(t)dtTDDB測試TDDBTDDB電遷移現象MTF=AJ-n exp-EA/kTMTF=20 年Jmax=105A/cm2電遷移測試610 100 400 10007 MTF (hr) Pure AlAl-4%CuJ=4E6A/cm2T=175積累失效9070503010%熱電子效應VgsN+N+VdVsVbIsubIg熱電子效應測試 NMOS 0.5um 5V design 測試方

9、法 Vds=6.7V，7.0V, 7.3V Vss and Vbs=0V Vgs set to max Ibs 失效判據： Gm 偏移10% 時所需時間 T0.1 (-time to 0.1 failure) 作Ibs/IdsT0.1圖 根據Berkeley model預測壽命 ttfIds=Cx-m(ttf 是失效0.1%的時間, C是 Ibs/IdsT0.1圖截距，m是斜率）（四）老化和可靠性試驗（四）老化和可靠性試驗老化篩選 (Burn in)老化篩選老化篩選從對環境的適應性，存放特性，電學性能穩定性等方面去排除器件的潛在缺陷和故障，為使產品穩定化所進行的處理 估計早期失效率(PPM),

10、可及早發現并改善失效模式 試驗時間短(168hr)，隨機抽樣 對要求高可靠產品，可對全部產品老化 老化篩選適應種類和條件條件必須選擇適當，否則不但浪費時間，還會降低可靠性老化篩選(例）試驗名稱所排除的故障篩選方法高溫存放表面沾污，氧化層針孔125-150C24-168 hr溫度循環表面沾污，鍵合不良，芯片黏結不良(-65C)/150C)250 cycle振動鍵合不良，芯片開裂，引線開短路數十g, 50Hz振動10-60s偏壓試驗金屬顆粒，沾污，針孔10-150C, 24-250V可靠性試試驗 (1)可靠性評價不可能等待器件自然失效后再進行測試和分析，而是通過一系列模擬環境和加速試驗，使器件在較

11、短的時間內失效，然后再進行失效機理的分析。加速因子包括潮氣、溫度、一般的環境應力和剩余應力等。設計合理的加速試驗，可以達到檢測器件可靠性的目的。選擇合適的樣本數也是可靠性試驗的關鍵參數之一，因為樣本數少了，不能真實反映器件的可靠性，樣本數太大的話，又會造成資源的浪費，需用數理統計方法，合理選擇樣本數。可靠性試試驗(2) 對于使用壽命很長、可靠性很高的產品來講，在60的置信度(confidence level)下，以每千小時0.1的失效速率(即103FIT)測試產品，則無失效時間長達915,000小時，即若器件樣本數為915，則要測試1,000小時才會有一個器件失效；若器件的樣本數為92，則要測

12、試10,000小時才會有一個器件失效，這樣的測試即不經濟又費時，因此，必須在加速使用條件下進行測試。由于失效分析是按照抽樣的方法進行分析，所以，在分析失效速度時要用到許多統計的方法，包括根據可靠性要求設計的置信度和樣本數，按照實驗結果進行數學模型的建立和分析，然后推導出器件的預期壽命。 加速測試(1) 加速試驗的目的是在于讓確實存在的缺陷提前暴露出來，而不是為了誘導產生新的缺陷或讓存在的缺陷逃脫 加速力選擇要與器件可靠性要求緊密關聯，否則可能對改進設計、材料選擇、工藝參數確定等方面產生誤導作用。 加速因子加速因子： 常規條件下的失效時間 加速試驗條件下的失效時間加速因子不但與加速試驗條件有關，

13、還與失效機理、失效位置等因素有關加速因子 At= t1/t2 =Exp-Ea/k(1/ TTEST- TUSE)t1 MTTF at TTEST t2 MTTF at TUSE Ea 熱激活能(eV)（和失效機理有關）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可靠性試驗種類 環境試驗高溫儲

14、存，溫度循環/沖擊，高壓蒸煮，潮濕偏壓，鹽霧，耐焊接熱 壽命試驗偏壓高溫壽命試驗，動態壽命試驗，動態高溫壽命試驗 機械試驗振動/沖擊、加速度、可焊性、鍵合強度 ESD測試高溫工作壽命（HTOL)條件：125oC 或150oC，Vcc max， frequency max, 至少 1000 devices-hrs 目的：發現熱/電加速失效機理，預估長期工作的失效率失效機理：高溫下芯片表面和內部的缺陷進一步生長，可動離子富集導致的表面溝道漏電，使結特性退化. 電場加速介質擊穿，高溫加速電遷移等 (對大功率器件，可采用常溫功率負荷的方式使結溫達到額定值)高溫反偏試驗 (HRB) 適用高壓MOSFET

15、功率管 (例如600V/4A) 條件：125oC or 150oC， Vgs=0V, Vds=80% of max BVdss Duration: (168,500),1000hr 目的：加速耐高壓性能退化 失效機理：高溫，高電壓作用下離子沾污活動改變電場分布高溫反偏試驗數據例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溫度循環（T/C）條件： 500 cycles, -65 to +150 at a ramp rate of 25/min and with 20 min dwell at each temperature extreme目的：模擬環境溫度變化,考核溫度交替變化對產品機械/電性能的影響，暴露粘片/鍵合/塑封等封裝工藝/材料缺陷，及金屬化/鈍化等圓片工藝問題失效機理：不同材料間熱膨脹系數差異造成界面熱匹配問題，造成金線斷裂、鍵合脫落致使開路，塑封開裂使密封性失效、界

17、面分層使熱阻增大 、鈍化層開裂、硅鋁接觸開路、芯片開裂高壓蒸煮（PCT/Autoclave） 條件： 121oC/100%RH，205kPa（2atm），168hrs 目的：檢驗器件抵抗水汽侵入及腐蝕的能力。 失效機理：濕氣通過塑封體及各界面被吸入并到達芯片表面,在鍵合區形成原電池而加速鋁的腐蝕。另外，水汽帶入的雜質在器件表面形成漏電通道。高溫高濕電加速（THB/HAST） 條件：THB 85oC/85%RH，Vccmax static bias，1000hrs HAST 130oC/85%RH/2atm，Vccmax bias，100hrs （24hrs HAST1000hrs THB） 目

18、的：模擬非密封器件在高溫高濕環境下工作，檢驗塑封產品抗水汽侵入并腐蝕的能力 失效機理：相對高壓蒸煮，偏置電壓在潮濕的芯片表面加速了鋁線及鍵合區的電化學腐蝕。同時，水汽或塑封體內的雜質在電應力作用下富集在鍵合區和塑封體內引腳之間而形成漏電通道。常用可靠性試驗匯總表 (1)TestTestTest conditionTest conditionSimulated Simulated environmentenvironmentApplicable Applicable standardsstandardsLow-temperature operating life低溫工作壽命-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高溫工作壽命+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溫度循環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常用可靠性試驗匯總表 (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功率和溫度循環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常用可靠性試驗匯總表 (3)TestTestTest conditionTest condit

23、ionSimulated Simulated environmentenvironmentApplicable Applicable standardsstandardsThermal shock熱沖擊500 cycles of 55 to +125rapid change in field or handling environmentMIL-STD-883 method 1011BHigh tempera-ture storage高溫存儲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常用可靠性試驗匯總表 (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鹽霧試驗 10 to 50 gr of NaCl /metres 2 35C MIL STD 883 1009常用可靠性試驗匯總表 (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 芯片工藝引起的

28、失效 封裝引起的失效失效模式芯片工藝引起的失效失效因素失效現象失效原因表面退化輸入輸出反向電流增大，耐壓降低，Vt漂移氧化層可動電荷布線失效電極間開路，無功能金屬電遷移，金屬腐蝕氧化層缺陷電極間短路氧化層針孔，裂紋失效模式封裝工藝引起的失效 鍵合不良金屬間化合物；焊球脫焊 塑封裂縫濕氣侵入；鍵合線斷裂 塑封料流變空洞；鍵合線斷裂 塑封應力芯片裂紋；鋁膜變形；鍵合線斷裂 溫度循環后芯片和框架間黏結變壞失效分析流程失效器件足夠信息數據分析外觀檢查使用信息失效分析流程（續）需X線？測試X-ray專門測試？烘烤圖示儀測試氣密封裝？Burn-in測試Fail氣密測試失效分析流程（續）開封測試目檢異常？失

29、效機理清楚？應用分析技術改進措施失效分析技術工具 Sophisticated bench testing equipment: Curve trace （圖示儀）; Bench Testing Microprobing Package analysis: X-ray;Acoustic microscope（聲學顯微鏡） Decapsulation techniques（開封技術） Chemical and dry depassivating method（去除鈍化層技術）失效分析技術工具 Internal visual inspection（目檢）: Microscope（顯微鏡） Scann

30、ing electron microscope（掃描電子顯微鏡） Defect location: Emission microscope(發射電子顯微鏡）， Liquid Crystal Analysis(液晶） 其他： SIMS（二次離子質譜）,FIB（聚焦離子束）,XPS（X射線光電能譜儀）,AES（俄歇能譜儀）X射線成像術聲掃描顯微鏡成像原理(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 Sonix software. Initial Pulse - Occurs when pulser discharges and transducer oscillates.Time = 0Sec Time = 0 Initial PulseFront SurfaceDie2nd EchoesWater Pa