基于混合集成電路的電化學(xué)腐蝕

一、元器件概述1、元器件的定義與分類

定義：

歐洲空間局ESA標(biāo)準(zhǔn)中的定義：完成某一電子、電氣和機(jī)電功能，并由一個或幾個部分構(gòu)成而且一般不能被分解或不會破壞的某個裝置。GJB4027-2000《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》中的定義：在電子線路或電子設(shè)備中執(zhí)行電氣、電子、電磁、機(jī)電或光電功能的基本單元，該基本單元可由一個或多個零件組成，通常不破壞是不能將其分解的。

分類：兩大類

元件：在工廠生產(chǎn)加工時不改變分子成分的成品，本身不產(chǎn)生電子，對電壓、電流無控制和變換作用。器件：在工廠生產(chǎn)加工時改變了分子結(jié)構(gòu)的成品，本身能產(chǎn)生電子，對電壓電流的控制、變換（放大、開關(guān)、整流、檢波、振蕩和調(diào)制等），也稱電子器件。

電阻

最可靠的元件之一失效模式：開路、機(jī)械損傷、接點(diǎn)損壞、短路、絕緣擊穿、焊接點(diǎn)老化造成的電阻值漂移量超過容差

電位器

失效模式：接觸不良、滑動噪聲大、開路等

二極管

集成電路

失效模式：漏電或短路，擊穿特性劣變，正向壓降劣變，開路可高阻失效機(jī)理：電遷移，熱載流子效應(yīng)，與時間相關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB），表面氧化層缺陷，絕緣層缺陷，外延層缺陷

聲表面波器件

MEMS壓力傳感器

MEMS器件的主要失效機(jī)理：

（1）粘附----兩個光滑表面相接觸時，在力作用下粘附在一起的現(xiàn)象；

（2）蠕變----機(jī)械應(yīng)力作用下原子緩慢運(yùn)動的現(xiàn)象；變形、空洞；

（3）微粒污染----阻礙器件的機(jī)械運(yùn)動；

（4）磨損----尺寸超差，碎片卡入；

（5）疲勞斷裂----疲勞裂紋擴(kuò)展失效。

真空電子器件（vacuum electronic device）

指借助電子在真空或者氣體中與電磁場發(fā)生相互作用，將一種形式電磁能量轉(zhuǎn)換為另一種形式電磁能量的器件。具有真空密封管殼和若干電極，管內(nèi)抽成真空，殘余氣體壓力為10-4～10-8帕。有些在抽出管內(nèi)氣體后，再充入所需成分和壓強(qiáng)的氣體。廣泛用于廣播、通信、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、自動控制、電子對抗、計(jì)算機(jī)終端顯示、醫(yī)學(xué)診斷治療等領(lǐng)域。真空電子器件按其功能分為：

實(shí)現(xiàn)直流電能和電磁振蕩能量之間轉(zhuǎn)換的靜電控制電子管；

將直流能量轉(zhuǎn)換成頻率為300兆赫～3000吉赫電磁振蕩能量的微波電子管；

利用聚焦電子束實(shí)現(xiàn)光、電信號的記錄、存儲、轉(zhuǎn)換和顯示的電子束管；

利用光電子發(fā)射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的光電管；

產(chǎn)生X射線的X射線管；

管內(nèi)充有氣體并產(chǎn)生氣體放電的充氣管；

以真空和氣體中粒子受激輻射為工作機(jī)理，將電磁波加以放大的真空量子電子器件等。

自20世紀(jì)60年代以后，很多真空電子器件已逐步為固態(tài)電子器件所取代，但在高頻率、大功率領(lǐng)域，真空電子器件仍然具有相當(dāng)生命力，而電子束管和光電管仍將廣泛應(yīng)用并有所發(fā)展。［1］ 真空電子器件里面就包含真空斷路器，真空斷路器具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以在變電站上應(yīng)用很多。真空斷路器已被快易優(yōu)收錄，由于采用了特殊的真空元件，隨著近年來制造水平的提高，滅弧室部分的故障明顯降低。真空滅弧室無需檢修處理，當(dāng)其損壞時，只能采取更換。真空斷路器運(yùn)行中發(fā)生的故障以操作機(jī)構(gòu)部分所占比重較大，其次為一次導(dǎo)電部分，觸頭導(dǎo)電桿等。

第二章 元器件制造工藝與缺陷1、芯片加工中的缺陷與成品率預(yù)測芯片制造缺陷的分類：

全局缺陷：光刻對準(zhǔn)誤差、工藝參數(shù)隨機(jī)起伏、線寬變化等；在成熟、可控性良好的工藝線上，可減少到極少，甚至幾乎可以消除。

局域缺陷：氧化物針孔等點(diǎn)缺陷，不可完全消除，損失的成品率更高。

點(diǎn)缺陷：冗余物、丟失物、氧化物針孔、結(jié)泄漏

來源：灰塵微粒、硅片與設(shè)備的接觸、化學(xué)試劑中的雜質(zhì)顆粒。2、混合集成電路的失效混合集成電路工藝：

IC工藝：氧化、擴(kuò)散、鍍膜、光刻等

厚膜工藝：基板加工、制版、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)、激光調(diào)阻、分離元器件組裝等

薄膜工藝：基板加工、制版、薄膜制備、光刻、電鍍等

失效原因：元器件失效：31%互連失效：23%，引線鍵合失效、芯片粘結(jié)不良等沾污失效：21%關(guān)于混合集成電路：按制作工藝，可將集成電路分為：（1）半導(dǎo)體集成電路（基片：半導(dǎo)體） 即：單片集成電路（固體電路） 工藝：半導(dǎo)體工藝（擴(kuò)散、氧化、外延等）（2）膜集成電路（基片：玻璃、陶瓷等絕緣體） 工藝： 薄膜集成電路——真空蒸鍍、濺射、化學(xué)氣相沉積技術(shù) 厚膜集成電路——漿料噴涂在基片上、經(jīng)燒結(jié)而成（絲網(wǎng)印刷技術(shù)）3、混合集成電路（Hybrid Integrated Circuit）特點(diǎn)：充分利用半導(dǎo)體集成電路和膜集成電路各自的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的目的；工藝：用膜工藝制作無源元件，用半導(dǎo)體IC或晶體管制作有源器件。三種集成電路的比較：

第三章 微電子封裝技術(shù)與失效1、微電子封裝的分級：? 零級封裝：通過互連技術(shù)將芯片焊區(qū)與各級封裝的焊區(qū)連接起來；? 一級封裝（器件級封裝）：將一個或多個IC芯片用適宜的材料封裝起來，并使芯片的焊區(qū)與封裝的外引腳用引線鍵合（WB）、載帶自動焊（TAB）和倒裝焊（FC）連接起來，使之成為有功能的器件或組件，包括單芯片組件SCM和多芯片組件MCM兩大類? 二級封裝（板極封裝）：將一級微電子封裝產(chǎn)品和無源元件一同安裝到印制板或其他基板上，成為部件或整機(jī)。? 三級封裝（系統(tǒng)級封裝）：將二極封裝產(chǎn)品通過選層、互連插座或柔性電路板與母板連接起來，形成三維立體封裝，構(gòu)成完整的整機(jī)系統(tǒng)（立體組裝技術(shù)）2、微電子的失效機(jī)理

（1）熱/機(jī)械失效

熱疲勞

熱疲勞失效主要是由于電源的閉合和斷開引起熱應(yīng)力循環(huán)，造成互連焊點(diǎn)變形，最終產(chǎn)生裂紋失效分析例子——連接器的過機(jī)械應(yīng)力疲勞損傷樣品：SMA連接器（陰極）現(xiàn)象：外部插頭（陽極）與該SMA接頭連接不緊，裝機(jī)前插拔力檢驗(yàn)合格失效模式：接觸不良

半圓弧夾片明顯偏離

插孔周邊絕緣介質(zhì)有較深的插痕

偏離的半圓夾片根部有裂紋

半圓片裂紋斷面

蠕變----材料在長時間恒溫、恒壓下，即使應(yīng)力沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度，也會慢慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象

蠕變導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂

脆性斷裂

當(dāng)應(yīng)力超過某一值時，陶瓷、玻璃和硅等脆性材料易發(fā)生脆性斷裂。斷裂一般發(fā)生在有初始裂紋和刻痕的地方，當(dāng)原有裂紋擴(kuò)展到器件的有源區(qū)時，器件將失效。

塑性變形

當(dāng)應(yīng)力超過材料的彈性限度或屈服點(diǎn)時，將發(fā)生塑性變形（永久）：? 金屬：電阻升高或開裂? 陶瓷等脆性材料：開裂? MEMS系統(tǒng)：影響精度甚至不能正常工作封裝界面層分層----粘連在一起的不同層之間出現(xiàn)剝離或分離的現(xiàn)象原因：表面缺陷 表面存在水汽和揮發(fā)物 材料不均或表面粗糙等塑封件因熱膨脹系數(shù)不同，溫度變化大時會出現(xiàn)；塑封件因吸收過多潮氣，在受熱例如焊接過程中出現(xiàn)分層（爆米花現(xiàn)象）；BGA封裝中，模塑料與基體界的界面及粘膠處易發(fā)生水汽爆裂。

應(yīng)力遷移（Stress Migration）

引子：銅互連替代鋁互連，雖然銅的電阻率較低，抗電遷移和應(yīng)力遷移能力強(qiáng)，但應(yīng)力遷移誘生空洞，導(dǎo)致電阻增大甚至完全斷裂出現(xiàn)條件：應(yīng)力梯度—絕緣介質(zhì)與銅之間的熱失配所致位置：通孔和金屬連線邊緣等應(yīng)力集中區(qū)域影響因素：應(yīng)力、應(yīng)力梯度、互連結(jié)構(gòu)、工作溫度、金屬介質(zhì)界面粘附性、互連材料的微觀結(jié)構(gòu)

銅導(dǎo)線上的應(yīng)力遷移空洞（2）電致失效

電遷移（Electronic Migration）

強(qiáng)電流經(jīng)過金屬線時，金屬離子等會在電流及其他因素相互作用下移動并在線內(nèi)形成孔隙或裂紋的現(xiàn)象原因：電場作用下金屬離子擴(kuò)散所致，不同材料機(jī)制不同：焊點(diǎn)：晶格擴(kuò)散鋁互連線：晶界擴(kuò)散銅互連線：表面擴(kuò)散驅(qū)動力：電子與離子動量交換和外電場產(chǎn)生的綜合力、非平衡態(tài)離子濃度產(chǎn)生的擴(kuò)散力、機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力影響因素：幾何因素：長度、線寬、轉(zhuǎn)角、臺階、接觸孔等材料性質(zhì)：銅最好、鋁較差、鋁銅合金介于其中（3）金屬遷移? 失效模式：金屬互連線電阻值增大或開路? 失效機(jī)理：電子風(fēng)效應(yīng)? 產(chǎn)生條件：電流密度大于10E5A/cm2 高溫? 糾正措施：高溫淀積，增加鋁顆粒直徑，摻銅，降低工作溫度，減少階梯，銅互連、平面化工藝

互連線和焊點(diǎn)的電遷移（4）閂鎖效應(yīng)（Latch-up）----寄生PNPN效應(yīng)由于MOS管存在寄生晶體管效應(yīng)（CMOS管下面會構(gòu)成多個晶體管，它們自身可能構(gòu)成一個電路），若電路偶然出現(xiàn)使該寄生晶體管開通的條件，則寄生電路會極大影響正常電路的動作，使原MOS電路承受大于正常狀態(tài)很大的電流，可使電路迅速燒毀。閂鎖狀態(tài)下器件在電源與地之間形成短路，造成大電流、過電應(yīng)力和器件損壞

通信接口集成電路的閂鎖失效

（5）熱載流子效應(yīng)（Hot Carrier Injection柵極電壓Vg小于漏極電壓Vd時，柵極絕緣膜下的溝道被夾斷，漏極附近電場增高；源極流經(jīng)此區(qū)的電子成為熱電子，碰撞增多---漏極雪崩熱載流子；注入柵極二氧化硅膜中，使其產(chǎn)生陷阱和界面能級，閾值電壓增加，氧化層電荷增加或波動不穩(wěn)，器件性能退化（6）與時間相關(guān)的介質(zhì)擊穿（Time Dependent Dielectric Breakdron）擊穿模型：I/E（空穴擊穿），E（熱化學(xué)擊穿）I/E模型：電子穿越氧化膜產(chǎn)生電子陷阱和空穴陷阱+電子空穴對空穴隧穿回氧化層，形成電流空穴易被陷阱俘獲在氧化層中產(chǎn)生電場缺陷處局部電流不斷增加，形成正反饋陷阱互相重疊并連成一個導(dǎo)電通道時，氧化層被擊穿。E模型：熱動力學(xué)過程，處于熱應(yīng)力和外加電場下的偶極子相互作用破壞了Si-O鍵而產(chǎn)生擊穿。

3、電化學(xué)失效? 金屬遷移----從鍵合焊盤處開始的金屬枝晶生長，是一金屬離子從陽極區(qū)向陰極區(qū)遷移的電解過程?，F(xiàn)象：橋連區(qū)的泄漏電流增加，甚至短路遷移離子：Ag，Pb，Sn，Au，Cu預(yù)防銀遷移的方法：使用銀合金；在布線布局設(shè)計(jì)時，避免細(xì)間距相鄰導(dǎo)體間的電流電位差過高；設(shè)置表面保護(hù)層；清洗助焊劑殘留物? 腐蝕出現(xiàn)條件：封裝內(nèi)存在潮氣和離子沾污物本質(zhì)：電化學(xué)反應(yīng)

混合集成電路的電化學(xué)腐蝕

? 金屬間化合物? 優(yōu)點(diǎn)：提高結(jié)合力 ? 缺點(diǎn)：過量的金屬間化合物會使局部脆化
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