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）與時間相關的電介質擊穿（TDDB）-- 柵極氧化物

2）熱載流子注入（HCI）

3）負偏壓溫度不穩定性（NBTI）

4）表面反轉（移動離子）

5）浮柵非易失性存儲器數據保持

6）局部電荷捕獲非易失性存儲器數據保持

7）相變（PCM）非易失性存儲器數據保持

后段制程（BEoL）常見的失效機理

1）與時間相關的電介質擊穿（TDDB）-- low k材質電介質/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）鋁應力遷移（Al SM）

6）銅應力遷移（Cu SM）

封裝/界面常見的失效機理

1）因溫度循環和熱沖擊導致的疲勞失效

2）因溫度循環和熱沖擊導致的界面失效

3）因高溫導致的金屬間化合物和氧化失效

4）錫須

5）離子遷移動力學（PCB）--組件清潔度

本文對因溫度循環和熱沖擊導致的界面失效模型進行研究。

與因溫度循環和熱沖擊導致的疲勞失效模型基本一致，但主要關注于不同材料之間的界面的鏈接可靠性。

在溫度循環和溫度沖擊后，超大規模集成電路（ULSI）器件中可能會發生界面失效。界面失效可能包括：

• 爆米花效應（Popcorn Effect）：通常指在特定的環境或條件下，某種物質或結構出現類似爆米花爆開的現象。在電子領域，“爆米花”現象被定義為模塑料與硅芯片、引線框架或基板之間界面分層斷裂，通常是由于界面附著力不足，尤其是在存在濕氣的狀況下，器件回流焊時很容易發生發生爆米花效應。通常使用Paris冪率模型進行建模。

• 薄膜龜裂可能發生在脆性介電薄膜中（尤其是當脆性薄膜處于靜力拉伸應力下時）。通常使用Paris冪率模型進行建模。

• 如果溫度循環導致模塑料從硅芯片表面逐漸分層，引線鍵合可能會“翹起”（引線和金屬間化合物與鍵合焊盤斷開）。如果引線的晶粒尺寸過大，在溫度循環下，引線鍵合也可能在球上方以“竹節”的方式斷裂。通常使用Coffin-Manson或Paris冪率模型進行建模。

• 如果芯片邊緣附近存在焊接空洞，芯片在溫度循環或溫度沖擊時可能會發生斷裂。通常使用Coffin-Manson模型進行建模。

建模的溫變參數條件通常是所關注的范圍（即加速應力與正常使用條件），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） 溫度循環范圍跨越了一個臨界溫度，例如Tg（聚合物的玻璃化轉變溫度）。

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

Paris冪率模型：

1963年由Paris和Erdogan提出了基于斷裂力學方法的Paris冪率定律。由Paris冪率定律對裂紋擴展速率的對數與應力強度因子的對數進行建模，發現有三個區域：

a）區域I代表亞臨界裂紋萌生；

b）區域II代表緩慢裂紋生長速度；

c）區域III代表裂紋快速擴展。

Paris冪率定律用于根據冪律表征疲勞載荷下的亞臨界裂紋擴展，使用應力強度因子表示如下：

或者可選擇使用能量釋放率而不是應力強度因子：

Paris冪率定律指數m對于幾種不同的界面斷裂機制的值如下表所示：

Paris冪率模型壽命預估示例：

目標：

計算日常使用環境中模塑料從硅芯片（低k或FTEOS與 Cu）分層的加速因子（AF），并與汽車環境中的進行比較。

假設條件：

1）日常使用環境條件為：每日溫度波動20°C一次

2）汽車環境條件為：每天4個循環，溫度波動80°C

3）遵循使用能量釋放率的Paris冪率定律：dN∝(ΔG)–m

4）m=4

AF計算公式：

AF=(ΔGoffice/(ΔGauto)–m

假設條件代入計算：

AF=(20/80)–4=256/循環，但汽車環境精力的溫循更多

結論：對汽車環境與日常使用環境進行比較評估，會發現日常使用環境故障前時間（TTF）值是汽車環境的1000倍，其中256倍是由于溫度差的差異，4倍是由于循環頻率。