各階段常見的典型失效機理

前段制程（FEoL）常見的失效機理

1）與時間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- 柵極氧化物

2）熱載流子注入（HCI）

3）負偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI）

4）表面反轉(zhuǎn)（移動離子）

5）浮柵非易失性存儲器數(shù)據(jù)保持

6）局部電荷捕獲非易失性存儲器數(shù)據(jù)保持

7）相變（PCM）非易失性存儲器數(shù)據(jù)保持

后段制程（BEoL）常見的失效機理

1）與時間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- low k材質(zhì)電介質(zhì)/移動銅離子

2）鋁電遷移（Al EM）

3）銅電遷移（Cu EM）

4）鋁和銅腐蝕

5）鋁應(yīng)力遷移（Al SM）

6）銅應(yīng)力遷移（Cu SM）

封裝/界面常見的失效機理

1）因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的疲勞失效

2）因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的界面失效

3）因高溫導(dǎo)致的金屬間化合物和氧化失效

4）錫須

5）離子遷移動力學(xué)（PCB）--組件清潔度

本文對因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的疲勞失效模型進行研究

由于溫度循環(huán)和溫度沖擊，超大規(guī)模集成電路（ULSI）器件可能會發(fā)生疲勞失效，在溫度循環(huán)或溫度沖擊期間，永久性損傷會累積，器件經(jīng)歷正常的上電和下電循環(huán)時，熱循環(huán)造成的損傷也會累積。這種循環(huán)會引起周期性應(yīng)力，往往會削弱材料并且導(dǎo)致多種不同類型的故障：

• 電介質(zhì)/薄膜開裂

• 鍵合抬起

• 斷裂/破碎的鍵合線

• 焊料疲勞（接頭/凸點/球）

圖片來源于《顯卡門時間--bump開裂》

• 芯片或模塑料開裂

• 芯片分層

• 芯片抬起

焊料常用于集成電路內(nèi)部連接，或集成電路與印刷電路板（PCB）之間的焊料連接。由熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，焊料在熱機械應(yīng)力下容易發(fā)生疲勞失效。

建模的溫變參數(shù)條件通常是所關(guān)注的范圍（即加速應(yīng)力與正常使用條件），但在某些條件下，需要其他條件來進行可靠性估計（AF或FITs）：

 1） 溫度循環(huán)范圍跨越了一個臨界溫度，例如Tg（聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）。

 2） 在感興趣的溫度范圍內(nèi)，材料性能發(fā)生顯著變化。例如，鉛基焊料的應(yīng)力松弛率在室溫附近發(fā)生了很大的變化。

Coffin-Manson模型：

對于韌性材料，低周期疲勞數(shù)據(jù)可以很好地用Coffin-Manson方程來描述：

低周期疲勞是指在幾百或幾千次循環(huán)就會導(dǎo)致失效，而高周期疲勞則需要數(shù)百萬次循環(huán)。Coffin-Manson模型最初是為韌性材料（飛機用的鐵和鋁合金）開發(fā)的，但也已成功應(yīng)用于脆性材料。

修正的Coffin-Manson模型：

Coffin-Manson方程即使對于脆性材料的失效也很有效，在脆性材料失效中，失效主要由裂紋的萌生和擴展主導(dǎo)，而非簡單的塑性變形。在溫度循環(huán)期間，并非所有的應(yīng)力（溫度范圍，ΔT）都會引起塑性變形。如果循環(huán)的一部分ΔTo實際上是彈性的，那么彈性部分應(yīng)從總應(yīng)變范圍中減去。

請注意，與應(yīng)變相關(guān)的幾何因素從方程中簡化掉了，從而消除了對其他幾何形狀或材料性能的預(yù)測，并限制了使用性能的范圍。因此，對于具有塑性變形的溫度循環(huán)或熱沖擊，Coffin-Manson 方程變?yōu)椋?/span>

需要注意的是，如果彈性范圍（ΔTo）遠小于整個溫度循環(huán)范圍（ΔT），那么可以忽略它而不會引入顯著的誤差（通常的做法）。

q的取值范圍如下圖所示：

Norris Landzberg模型：

諾里斯·蘭茲伯格（Norris Landzberg）對科芬-曼森（Coffin-Manson）方法進行了修正，增加了與焊點疲勞相關(guān)的循環(huán)頻率因子（冪律）和類似阿倫尼烏斯（Arrhenius）的溫度依賴性。應(yīng)當指出，使用這種近似方法時，溫度必須以開爾文（°K）表示。

Norris Landzberg模型的加速因子 AF 如下：

注：在一些研究中，SnPb焊料的m值設(shè)為-1/3，因為fstress被放在了分子而不是分母中。這將使SAC焊料的值為0.136。

在上述模型中，常用的是修正后的Coffin-Manson模型。

溫度循環(huán)壽命預(yù)估示例：

目標：

計算日常使用環(huán)境中由于溫度循環(huán)導(dǎo)致的引線鍵合金屬間化合物的加速因子（AF），并與汽車環(huán)境中的進行比較。

假設(shè)條件：

1）日常使用環(huán)境條件為：每日溫度波動20°C一次

2）汽車環(huán)境條件為：每天4個循環(huán)，溫度波動80°C

3）ΔT＞＞ΔTo

4）q=4

AF計算公式：

AF=(ΔToffice/(ΔTauto)–q

假設(shè)條件代入計算：

AF=(20/80)–4=256/循環(huán)，但汽車環(huán)境精力的溫循更多

結(jié)論：對汽車環(huán)境與日常使用環(huán)境進行比較評估，會發(fā)現(xiàn)日常使用環(huán)境故障前時間（TTF）值是汽車環(huán)境的1000倍，其中256倍是由于溫度差的差異，4倍是由于循環(huán)頻率。

通過使用excel搭建一個計算AF的快速計算模型：