IC工藝技術(shù)13集成電路可靠性課件

集成電路技術(shù)講座

第十三講集成電路可靠性Reliability集成電路技術(shù)講座

第十三講集成電路可靠性1集成電路可靠性（一）可靠性概念和表征方法（二）失效規(guī)律－浴盆曲線（三）硅片級(jí)可靠性設(shè)計(jì)和測(cè)試（四）老化篩選和可靠性試驗(yàn)（五）失效模式和失效分析

集成電路可靠性（一）可靠性概念和表征方法2（一）可靠性概念和表征方法（一）可靠性概念和表征方法3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(yù)期壽命內(nèi)，在規(guī)定的條件下正常工作的概率．即集成電路能正常使用多長(zhǎng)時(shí)間．UnreliabilityF(t)=r/nn總樣品數(shù)r失效數(shù)ReliabilityR(t)=(n-r)/nFailureDensityf(t)=f(t,t+t)=r/nFailureRate(t)=(t,t+t)=r/(n-r)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(yù)期壽命內(nèi)4可靠性概念和表征方法平均失效率(Failurerate)（用于常數(shù)失效區(qū)）

Fr=Nf/NdtNf失效數(shù)Ndt器件數(shù)和試驗(yàn)小時(shí)數(shù)乘積

FIT(FailureInTime)=Fr*109

1小時(shí)內(nèi)每109個(gè)(10億)器件中有一個(gè)器件失效時(shí)，稱為1FIT(ppb),或1000小時(shí)內(nèi)每106個(gè)(100萬(wàn))器件中有一個(gè)器件失效時(shí)，稱為1FIT平均失效時(shí)間MTTF(MeanTimetoFailure)=1/Fr可靠性概念和表征方法平均失效率(Failurerate5與失效速率有關(guān)的函數(shù)在給定時(shí)間間隔dt中失效的總數(shù)分?jǐn)?shù)可用函數(shù)f(t)dt表示，f(t)為失效速率，累積失效數(shù)目是該函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分，

即為累積失效函數(shù)可靠性函數(shù)定義為在時(shí)間為t時(shí)仍未失效的總數(shù)分?jǐn)?shù)與失效速率有關(guān)的函數(shù)在給定時(shí)間間隔dt中失效的總數(shù)分?jǐn)?shù)可用函6失效函數(shù)的描述正態(tài)分布

f(t)=[1/(2)-0.5]Exp{-1/2[(t-)/]2}F(t)=[1/(2)-0.5]tExp{-0.5[(t-)/]2}dtWebull分布

F(t)=1-e-(t/)為器件的特征壽命為形狀函數(shù)失效函數(shù)的描述正態(tài)分布7塑封器件現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)失效率例

(FIT)器件類型應(yīng)用環(huán)境地面民用飛機(jī)汽車(chē)線性IC35.432數(shù)字SSI/MSI0.971011存儲(chǔ)器，微處理器2.31413美國(guó)可靠性分析中心（90年代）塑封器件現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)失效率例

(FIT)器件類型應(yīng)用環(huán)境地面民用8器件失效對(duì)系統(tǒng)性能的影響

Dataset:150to225ICsfailurerate(FIT)meantimetofailure(year)percentofsetsfailingpermonth10510.1610051.610000.516器件失效對(duì)系統(tǒng)性能的影響Dataset:150to9（二）失效規(guī)律－浴盆曲線（二）失效規(guī)律－浴盆曲線10浴盆曲線EarlyLifeFailure早期失效期UsefulLife偶然失效期Wearout耗損失效期時(shí)間失效速率浴盆曲線EarlyUsefulWearout時(shí)間失11早期失效期

器件的早期失效速率很快，且隨時(shí)間迅速變小，早期失效原因主要是由于設(shè)計(jì)和制造工藝上的缺陷引起．例如：氧化物針孔引起柵擊穿，壓焊不牢引起開(kāi)路．通過(guò)加強(qiáng)制造過(guò)程質(zhì)量管理來(lái)減少早期失效．老化篩選可以幫助剔除這些早期失效產(chǎn)品。早期失效期器件的早期失效速率很快，且隨時(shí)間迅速變小，早期12有用壽命期（隨機(jī)失效期）

浴盆曲線中第二個(gè)區(qū)域特點(diǎn)是失效速率低且穩(wěn)定，幾乎是常數(shù)，該區(qū)域的長(zhǎng)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(chǎng)等．最大因素是芯片溫度．失效機(jī)理有如：潮氣滲入鈍化層引起金屬銹蝕；金屬間化合物生長(zhǎng)引起的疲勞失效；潮氣沿界面滲入引起封裝開(kāi)裂等。該段時(shí)間也是產(chǎn)品在客戶手中使用和系統(tǒng)的預(yù)期壽命，在該范圍內(nèi)的失效速率與系統(tǒng)失效緊密相關(guān)．有用壽命期（隨機(jī)失效期）浴盆曲線中第二個(gè)區(qū)域特點(diǎn)是失效13耗損失效期

在曲線的最后區(qū)域，失效速率急劇上升，意味著封裝器件達(dá)到了預(yù)期壽命，諸如開(kāi)裂和過(guò)度的應(yīng)力不可能對(duì)該區(qū)域有重大影響，因?yàn)檫@些問(wèn)題造成的失效應(yīng)更早出現(xiàn)。引起該失效的最典型的原因是較慢銹蝕過(guò)程的累積效應(yīng)。失效速率開(kāi)始快速上升的時(shí)間應(yīng)該超過(guò)系統(tǒng)的預(yù)期壽命，以保證消費(fèi)者的質(zhì)量要求。耗損失效期在曲線的最后區(qū)域，失效速率急劇上升，意味著封14（三）硅片級(jí)可靠性設(shè)計(jì)和測(cè)試（三）硅片級(jí)可靠性設(shè)計(jì)和測(cè)試15硅片級(jí)可靠性（工藝可靠性）產(chǎn)品可靠性取決于設(shè)計(jì)，工藝和封裝相同設(shè)計(jì)規(guī)則，相同工藝和封裝的不同產(chǎn)品應(yīng)有相同的可靠性水平可靠性要從源頭－設(shè)計(jì)抓起可靠性是內(nèi)在質(zhì)量，是靠‘做’出來(lái)的，不是靠‘測(cè)’出來(lái)的硅片級(jí)可靠性（工藝可靠性）產(chǎn)品可靠性取決于設(shè)計(jì)，工藝和封裝16可靠性設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)的可靠性考慮器件和版圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性考慮工藝設(shè)計(jì)的可靠性考慮可靠性設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)的可靠性考慮17可靠性設(shè)計(jì)

－電路設(shè)計(jì)時(shí)的考慮盡量減少接觸點(diǎn)數(shù)目和芯片面積盡量減少電流和功耗，pn結(jié)溫提高電路冗余度．如增加放大級(jí)數(shù)，減少每級(jí)的增益，對(duì)邏輯電路，要使噪聲容限和扇出數(shù)留有余量采用輸入保護(hù)措施可靠性設(shè)計(jì)

－電路設(shè)計(jì)時(shí)的考慮盡量減少接觸點(diǎn)數(shù)目和芯片面積18可靠性設(shè)計(jì)

－器件和版圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的考慮溝道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要考慮熱電子問(wèn)題鋁布線的電流密度應(yīng)在106A/cm2以下，以防止斷線和電遷移元件布局，應(yīng)將容易受溫度影響的元件，遠(yuǎn)離發(fā)熱元件在必須匹配的電路中，應(yīng)將相關(guān)元件并排或?qū)ΨQ排列版圖上防止Latchup的措施芯片邊緣和劃片道的設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)

－器件和版圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的考慮溝道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要考慮熱19可靠性設(shè)計(jì)

－工藝設(shè)計(jì)時(shí)的考慮氧化膜中的可動(dòng)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)可靠性設(shè)計(jì)

－工藝設(shè)計(jì)時(shí)的考慮氧化膜中的可動(dòng)離子20硅片級(jí)可靠性測(cè)試TDDB測(cè)試電遷移測(cè)試熱載流子測(cè)試硅片級(jí)可靠性測(cè)試TDDB測(cè)試21TDDB直接評(píng)估介質(zhì)電學(xué)特性，硅片級(jí)預(yù)測(cè)器件壽命測(cè)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(cè)試參數(shù)：Ebd，tbd,QbdQbd＝tdbJ(t)dtTDDB直接評(píng)估介質(zhì)電學(xué)特性，硅片級(jí)預(yù)測(cè)器件壽命22TDDB測(cè)試TDDB測(cè)試23TDDBTDDB24TDDBTDDB25電遷移現(xiàn)象MTF=AJ-nexp[-EA/kT]MTF=20年Jmax=105A/cm2電遷移現(xiàn)象MTF=AJ-nexp[-EA/kT]MTF=226電遷移測(cè)試101004001000MTF(hr)

PureAlAl-4%CuJ=4E6A/cm2T=175℃積累失效9070503010%電遷移測(cè)試101004001000Pur27熱電子效應(yīng)VgsN+N+VdVsVbIsubIg熱電子效應(yīng)VgsN+N+VdVsVbIsubIg28熱電子效應(yīng)測(cè)試NMOS0.5um5Vdesign測(cè)試方法Vds=6.7V，7.0V,7.3VVssandVbs=0VVgssettomaxIbs失效判據(jù)：Gm偏移10%時(shí)所需時(shí)間T0.1(-->timeto0.1failure)作Ibs/Ids－T0.1圖根據(jù)Berkeleymodel預(yù)測(cè)壽命ttfIds=Cx-m(ttf是失效0.1%的時(shí)間,C是Ibs/Ids－T0.1圖截距，m是斜率）熱電子效應(yīng)測(cè)試NMOS0.5um5Vdesign29（四）老化和可靠性試驗(yàn)（四）老化和可靠性試驗(yàn)30老化篩選(Burnin)老化篩選－從對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，存放特性，電學(xué)性能穩(wěn)定性等方面去排除器件的潛在缺陷和故障，為使產(chǎn)品穩(wěn)定化所進(jìn)行的處理估計(jì)早期失效率(PPM),可及早發(fā)現(xiàn)并改善失效模式試驗(yàn)時(shí)間短(<168hr)，隨機(jī)抽樣對(duì)要求高可靠產(chǎn)品，可對(duì)全部產(chǎn)品老化老化篩選適應(yīng)種類和條件條件必須選擇適當(dāng)，否則不但浪費(fèi)時(shí)間，還會(huì)降低可靠性老化篩選(Burnin)老化篩選－從對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，存放31老化篩選(例）試驗(yàn)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125-150C24-168hr溫度循環(huán)表面沾污，鍵合不良，芯片黏結(jié)不良(-65C)/150C)250cycle振動(dòng)鍵合不良，芯片開(kāi)裂，引線開(kāi)／短路數(shù)十g,50Hz振動(dòng)10-60s偏壓試驗(yàn)金屬顆粒，沾污，針孔10-150C,24-250V老化篩選(例）試驗(yàn)名稱所排除的故障篩選方法高溫存放表面沾污，32可靠性試試驗(yàn)(1)

可靠性評(píng)價(jià)不可能等待器件自然失效后再進(jìn)行測(cè)試和分析，而是通過(guò)一系列模擬環(huán)境和加速試驗(yàn)，使器件在較短的時(shí)間內(nèi)失效，然后再進(jìn)行失效機(jī)理的分析。加速因子包括潮氣、溫度、一般的環(huán)境應(yīng)力和剩余應(yīng)力等。設(shè)計(jì)合理的加速試驗(yàn)，可以達(dá)到檢測(cè)器件可靠性的目的。選擇合適的樣本數(shù)也是可靠性試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)之一，因?yàn)闃颖緮?shù)少了，不能真實(shí)反映器件的可靠性，樣本數(shù)太大的話，又會(huì)造成資源的浪費(fèi)，需用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，合理選擇樣本數(shù)?？煽啃栽囋囼?yàn)(1)可靠性評(píng)價(jià)不可能等待器件自然失效后33可靠性試試驗(yàn)(2)

對(duì)于使用壽命很長(zhǎng)、可靠性很高的產(chǎn)品來(lái)講，在60％的置信度(confidencelevel)下，以每千小時(shí)0.1％的失效速率(即103FIT)測(cè)試產(chǎn)品，則無(wú)失效時(shí)間長(zhǎng)達(dá)915,000小時(shí)，即若器件樣本數(shù)為915，則要測(cè)試1,000小時(shí)才會(huì)有一個(gè)器件失效；若器件的樣本數(shù)為92，則要測(cè)試10,000小時(shí)才會(huì)有一個(gè)器件失效，這樣的測(cè)試即不經(jīng)濟(jì)又費(fèi)時(shí)，因此，必須在加速使用條件下進(jìn)行測(cè)試。由于失效分析是按照抽樣的方法進(jìn)行分析，所以，在分析失效速度時(shí)要用到許多統(tǒng)計(jì)的方法，包括根據(jù)可靠性要求設(shè)計(jì)的置信度和樣本數(shù)，按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立和分析，然后推導(dǎo)出器件的預(yù)期壽命。

可靠性試試驗(yàn)(2)對(duì)于使用壽命很長(zhǎng)、可靠性很高的產(chǎn)品來(lái)講34加速測(cè)試(1)

加速試驗(yàn)的目的是在于讓確實(shí)存在的缺陷提前暴露出來(lái)，而不是為了誘導(dǎo)產(chǎn)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(guān)聯(lián)，否則可能對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝參數(shù)確定等方面產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。

加速測(cè)試(1)加速試驗(yàn)的目的是在于讓確實(shí)存在的缺陷提前暴35加速因子加速因子：常規(guī)條件下的失效時(shí)間

加速試驗(yàn)條件下的失效時(shí)間加速因子不但與加速試驗(yàn)條件有關(guān)，還與失效機(jī)理、失效位置等因素有關(guān)加速因子加速因子：常規(guī)條件下的失效時(shí)間36加速因子At=t1/t2=Exp[-Ea/k(1/TTEST-TUSE)]t1MTTFatTTEST

t2MTTFatTUSEEa熱激活能(eV)（和失效機(jī)理有關(guān)）Oxide0.8eVContamination1.4eVSiJunctionDefect0.8eV加速因子At=t1/t2=Exp[-Ea/k(1/TT37加速因子（例）TestTempNoofDeviceHrAtTTESTUseTemp加速因子AtEpqivalentDeviceHr@55C135C43475055C12855648000125C21100055C7716247000加速因子（例）TestNoofDeviceHrUse加38可靠性試驗(yàn)種類環(huán)境試驗(yàn)

高溫儲(chǔ)存，溫度循環(huán)/沖擊，高壓蒸煮，潮濕偏壓，鹽霧，耐焊接熱壽命試驗(yàn) 偏壓高溫壽命試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)壽命試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)高溫壽命試驗(yàn)機(jī)械試驗(yàn) 振動(dòng)/沖擊、加速度、可焊性、鍵合強(qiáng)度ESD測(cè)試可靠性試驗(yàn)種類環(huán)境試驗(yàn)39高溫工作壽命（HTOL)條件：125oC或150oC，Vccmax，frequencymax,至少1000devices-hrs目的：發(fā)現(xiàn)熱/電加速失效機(jī)理，預(yù)估長(zhǎng)期工作的失效率失效機(jī)理：高溫下芯片表面和內(nèi)部的缺陷進(jìn)一步生長(zhǎng)，可動(dòng)離子富集導(dǎo)致的表面溝道漏電，使結(jié)特性退化.電場(chǎng)加速介質(zhì)擊穿，高溫加速電遷移等(對(duì)大功率器件，可采用常溫功率負(fù)荷的方式使結(jié)溫達(dá)到額定值)高溫工作壽命（HTOL)條件：125oC或150oC，V40高溫反偏試驗(yàn)(HRB)適用高壓MOSFET功率管(例如600V/4A)條件：125oCor150oC，Vgs=0V,Vds=80%ofmaxBVdssDuration:(168,500),1000hr目的：加速耐高壓性能退化失效機(jī)理：高溫，高電壓作用下離子沾污活動(dòng)改變電場(chǎng)分布高溫反偏試驗(yàn)(HRB)適用高壓MOSFET功率管(例如641高溫反偏試驗(yàn)數(shù)據(jù)例TotalLotsTested71TotalDevicesTested2031TotalEquiv.DevicesHours@125oC1959430NumberofFailure0FailureRate(FIT)125oC60%UCL470FailureRate(FIT)90oC60%UCL28MTTF(Years)125oC60%UCL243MTTF(Years)90oC60%UCL4060高溫反偏試驗(yàn)數(shù)據(jù)例TotalLotsTested71To42溫度循環(huán)（T/C）條件：500cycles,-65℃to+150℃ataramprateof25℃/minandwith20mindwellateachtemperatureextreme目的：模擬環(huán)境溫度變化,考核溫度交替變化對(duì)產(chǎn)品機(jī)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(wèn)題失效機(jī)理：不同材料間熱膨脹系數(shù)差異造成界面熱匹配問(wèn)題，造成金線斷裂、鍵合脫落致使開(kāi)路，塑封開(kāi)裂使密封性失效、界面分層使熱阻增大、鈍化層開(kāi)裂、硅鋁接觸開(kāi)路、芯片開(kāi)裂溫度循環(huán)（T/C）條件：500cycles,-65℃43高壓蒸煮（PCT/Autoclave）條件：121oC/100%RH，205kPa（2atm），168hrs目的：檢驗(yàn)器件抵抗水汽侵入及腐蝕的能力。失效機(jī)理：濕氣通過(guò)塑封體及各界面被吸入并到達(dá)芯片表面,在鍵合區(qū)形成原電池而加速鋁的腐蝕。另外，水汽帶入的雜質(zhì)在器件表面形成漏電通道。高壓蒸煮（PCT/Autoclave）條件：121oC/144高溫高濕電加速（THB/HAST）條件：THB85oC/85%RH，Vccmaxstaticbias，1000hrs HAST130oC/85%RH/2atm，Vccmaxbias，100hrs（24hrsHAST≈1000hrsTHB）目的：模擬非密封器件在高溫高濕環(huán)境下工作，檢驗(yàn)塑封產(chǎn)品抗水汽侵入并腐蝕的能力失效機(jī)理：相對(duì)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(qū)的電化學(xué)腐蝕。同時(shí)，水汽或塑封體內(nèi)的雜質(zhì)在電應(yīng)力作用下富集在鍵合區(qū)和塑封體內(nèi)引腳之間而形成漏電通道。高溫高濕電加速（THB/HAST）條件：THB85oC/45常用可靠性試驗(yàn)匯總表(1)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsLow-temperatureoperatinglife低溫工作壽命-10℃/Vccmax/maxfrequency/min1,000devicehr/outputsloadedtodrawratedcurrentfieldoperationinsub-zeroenvironmentJEDEC-STD-22TM-A106High-temperatureoperatinglife高溫工作壽命+125℃or150℃/Vccmax/maxfrequency/min1,000devicehr/outputsloadedtodrawratedcurrentfieldoperationinnormalenvironmentMIL–STD-883method1005Temperaturecycling溫度循環(huán)500cycles,-65℃to+150℃ataramprateof25℃/minandwith20mindwellateachtemperatureextremeday-night,seasonal,andotherchangesinenvironmenttemperatureMIL-STD-883method1010C常用可靠性試驗(yàn)匯總表(1)TestTestconditi46常用可靠性試驗(yàn)匯總表(2)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsTemperaturecycling,humidity,andbias60cycles,VccON/OFFat5-mininterval,95%RH,+30to+65℃withheatingandcoolingtimeof4hreachandadwellof8hrateachtemperatureextremeslowchangesinenvironmentconditionswhiledeviceisoperatingJEDEC–STD-22TM-A104Powerandtemperaturecycling功率和溫度循環(huán)onlyondevicesexperiencingriseinjunctiontemperaturegreaterthan20℃;min1,000cyclesof–40to+125℃changesinenvironmenttemperaturewhiledeviceisoperatingJEDEC–STD-22TM-A106常用可靠性試驗(yàn)匯總表(2)TestTestconditi47常用可靠性試驗(yàn)匯總表(3)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsThermalshock熱沖擊500cyclesof–55to+125℃rapidchangeinfieldorhandlingenvironmentMIL-STD-883method1011BHightempera-turestorage高溫存儲(chǔ)150℃,for1,000hrminstorageMIL-STD-883method1008TemperaturehumiditybiasVccmax/85℃/85%RH/1,000hrminoperationinhigh-humidityenvironmentJEDEC–STD-22TM-A108HighlyacceleratedstresstestVccmax/130℃/85%RH/240hrminoperationinhigh-humidityenvironmentJEDEC–STD-22TM-A110常用可靠性試驗(yàn)匯總表(3)TestTestconditi48常用可靠性試驗(yàn)匯總表(4)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsPressurecooker(autoclave)121C2atm96to240hrJEDECA102BMoistureresistance10cycle25to65CRH=90TO98%MILSTD8831004Saltatmosphere鹽霧試驗(yàn)10to50grofNaCl/metres2@35CMILSTD8831009常用可靠性試驗(yàn)匯總表(4)TestTestconditi49常用可靠性試驗(yàn)匯總表(5)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsMechanicalshock5shockpulsesofg-levelanddurationasperdevicespecificationalongaparticularaxisavionicsorspacecraftlaunchenvironmentMIL-STD-2002Vibrationvariablefrequencyvariationfrom20to2,000Hzandbackto20Hz,durationofmorethan4minavionicsorspacecraftlaunchenvironmentMIL-STD-2007Constantacceleration30000G1min,MIL-STD-2001Solderability215to245C3to5secondsJEDECB102B常用可靠性試驗(yàn)匯總表(5)TestTestconditi50（五）失效模式和失效分析（五）失效模式和失效分析51DistributionoffailureincommercialIC

Distributionoffailureincom52失效模式芯片工藝引起的失效封裝引起的失效失效模式芯片工藝引起的失效53失效模式－芯片工藝引起的失效失效因素失效現(xiàn)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(dòng)電荷布線失效電極間開(kāi)路，無(wú)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－芯片工藝引起的失效失效因素失效現(xiàn)象失效原因表面退化54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(yīng)力芯片裂紋；鋁膜變形；鍵合線斷裂溫度循環(huán)后芯片和框架間黏結(jié)變壞失效模式

－封裝工藝引起的失效鍵合不良金屬間化合物；焊球55失效分析流程失效器件足夠信息數(shù)據(jù)分析外觀檢查使用信息ＮＹ失效分析流程失效器件足夠數(shù)據(jù)分析外觀檢查使用信息ＮＹ56失效分析流程（續(xù)）需X線？測(cè)試X-ray專門(mén)測(cè)試？烘烤圖示儀測(cè)試氣密封裝？Burn-in測(cè)試Fail氣密測(cè)試失效分析流程（續(xù)）需X線？測(cè)試X-ray專門(mén)測(cè)烘烤圖示儀測(cè)57失效分析流程（續(xù)）開(kāi)封測(cè)試目檢異常？失效機(jī)理清楚？應(yīng)用分析技術(shù)ＮＹ改進(jìn)措施失效分析流程（續(xù)）開(kāi)封測(cè)試目檢異常失效機(jī)理應(yīng)用分析ＮＹ改進(jìn)措58失效分析技術(shù)／工具Sophisticatedbenchtestingequipment:Curvetrace（圖示儀）;BenchTestingMicroprobing

Packageanalysis:X-ray;Acousticmicroscope（聲學(xué)顯微鏡）Decapsulationtechniques（開(kāi)封技術(shù)）Chemicalanddrydepassivatingmethod（去除鈍化層技術(shù)）失效分析技術(shù)／工具Sophisticatedbench59失效分析技術(shù)／工具Internalvisualinspection（目檢）:Microscope（顯微鏡）Scanningelectronmicroscope（掃描電子顯微鏡）Defectlocation:Emissionmicroscope(發(fā)射電子顯微鏡），LiquidCrystalAnalysis(液晶）其他：SIMS（二次離子質(zhì)譜）,FIB（聚焦離子束）,XPS（X射線光電能譜儀）,AES（俄歇能譜儀）失效分析技術(shù)／工具Internalvisualins60X射線成像術(shù)X射線成像術(shù)61聲掃描顯微鏡成像原理(1)WhatareUltrasonicWaves?Ultrasonicwavesrefertosoundwavesabove20kHz(notaudibletothehumanear)CharacteristicsofUltrasonicWavesFreelypropagatethroughliquidsandsolidsReflectatboundariesofinternalflawsandchangeofmaterialCapableofbeingfocused,straighttransmissionSuitableforReal-TimeprocessingHarmlesstothehumanbodyNon-destructivetomaterialSONAR聲掃描顯微鏡成像原理(1)WhatareUltrason62A-Scansaretherawultrasonicdata.AnA-ScanisagraphofVoltage(electricalresponse)overaperiodoftime.Thetime-scaleisdisplayedhorizontallyandhasunitsinmillionthsofasecond(micro-seconds).PercentFullScreenHeight(%FSH)unitsareusedinsteadofvoltage.TheDigitalOscilloscopedisplaysA-ScansintheSonixsoftware.InitialPulse-Occurswhenpulserdischargesandtransduceroscillates.Time=0SecTime=0InitialPulseFrontSurfaceDie2ndEchoesWaterPathVoltageTime(micro-seconds)TransducerRegionofInterest11223344Pulse-Echo聲掃描顯微鏡成像原理(2)A-Scansaretherawultrasonic63失效機(jī)理分析機(jī)械原因熱的原因電的原因輻射原因化學(xué)原因失效機(jī)理分析機(jī)械原因64失效分析－機(jī)械原因包括一般的沖擊、振動(dòng)（如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩下面的電子裝置）、填充料顆粒在硅芯片上產(chǎn)生的應(yīng)力、慣性力（如加農(nóng)炮外殼在發(fā)射時(shí)引信受到的力）等，這些負(fù)荷對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有彈性形變、塑性形變、彎曲(buckle)、脆性或柔性斷裂(fracture)、界面分層、疲勞裂縫產(chǎn)生及增殖、蠕變(creep)及蠕變開(kāi)裂等失效分析－機(jī)械原因包括一般的沖擊、振動(dòng)（如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩下面的65容易開(kāi)裂的部位容易開(kāi)裂的部位66金屬疲勞引起的斷裂金屬疲勞引起的斷裂67失效分析－熱的原因包括芯片粘結(jié)劑固化時(shí)的放熱、引線鍵合前的預(yù)加熱、成型工藝、后固化、鄰近元器件的重新加工(rework)、浸錫、波峰焊、回流焊等，熱負(fù)荷造成的影響在于材料的熱膨脹，由于材料之間的CTE失配，引起局部應(yīng)力，導(dǎo)致失效失效分析－熱的原因包括芯片粘結(jié)劑固化時(shí)的放熱、引線鍵合前的預(yù)68失效分析－電的原因突然的電沖擊（如汽車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí)的點(diǎn)火）、由于電壓不穩(wěn)和電傳輸過(guò)程中突然的振蕩（如接地不良）而引起的電流波動(dòng)、靜電電荷、電過(guò)載或輸入電壓過(guò)高、電流過(guò)大，電負(fù)荷造成介電擊穿、電壓表面擊穿、電能的熱損耗、電遷移，還會(huì)引起電銹蝕、由于枝蔓晶生長(zhǎng)而引起的漏電流、電熱降解等失效分析－電的原因突然的電沖擊（如汽車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí)的點(diǎn)火）、由于電69失效分析－輻射原因封裝材料中微量的放射性元素（如鈾、釷等放射性元素）引起的粒子輻射，尤其對(duì)存儲(chǔ)器有影響，會(huì)引起器件性能下降及包封料的降聚作用，在器件表面覆蓋聚酰亞胺涂層或用人工合成的填充料都是解決的途徑失效分析－輻射原因封裝材料中微量的放射性元素（如鈾、釷等放射70失效分析－化學(xué)原因環(huán)境造成的銹蝕、氧化、離子表面枝蔓生長(zhǎng)等都會(huì)引起失效，而潮濕環(huán)境下的潮氣進(jìn)入則是最主要的問(wèn)題，進(jìn)入塑封料中的潮氣，會(huì)將材料中的催化劑等其它添加劑中的離子萃取出來(lái)，生成副產(chǎn)品，進(jìn)入芯片上的金屬焊盤(pán)、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、材料的界面等，激活失效機(jī)理失效分析－化學(xué)原因環(huán)境造成的銹蝕、氧化、離子表面枝蔓生長(zhǎng)等都71開(kāi)裂產(chǎn)生及延伸開(kāi)裂產(chǎn)生及延伸72鈍化層開(kāi)裂鈍化層開(kāi)裂73界面分層界面分層74Cross-sectionalviewusingTOFandamplitudedata.Allowsyoutosee:VoidsDieTiltPackageCracksTopofPackageDiePopcornCrackDelamination&CrackCross-sectionalviewusingTOF75balllift-offballlift-off76化學(xué)銹蝕Cl-Na+Fe+LeadCorrosionMicrogapMoistureIonMigrationAl+4Cl----Al(Cl)-4+3e-2Al(Cl)-4+6H2O---2Al(OH)3+6H++8Cl化學(xué)銹蝕Cl-Na+LeadMicrogapMois77化學(xué)銹蝕（例）化學(xué)銹蝕（例）78ESD失效（例）ESD失效（例）791、有時(shí)候讀書(shū)是一種巧妙地避開(kāi)思考的方法。2022/12/102022/12/10Saturday,December10,20222、閱讀一切好書(shū)如同和過(guò)去最杰出的人談話。2022/12/102022/12/102022/12/1012/10/202210:38:25AM3、越是沒(méi)有本領(lǐng)的就越加自命不凡。2022/12/102022/12/102022/12/10Dec-2210-Dec-224、越是無(wú)能的人，越喜歡挑剔別人的錯(cuò)兒。2022/12/102022/12/102022/12/10Saturday,December10,20225、知人者智，自知者明。勝人者有力，自勝者強(qiáng)。2022/12/102022/12/102022/12/102022/12/1012/10/20226、意志堅(jiān)強(qiáng)的人能把世界放在手中像泥塊一樣任意揉捏。10十二月20222022/12/102022/12/102022/12/107、最具挑戰(zhàn)性的挑戰(zhàn)莫過(guò)于提升自我。。十二月222022/12/102022/12/102022/12/1012/10/20228、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2022/12/102022/12/1010December20229、一個(gè)人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。2022/12/102022/12/102022/12/102022/12/1010、你要做多大的事情，就該承受多大的壓力。12/10/202210:38:25AM2022/12/1010-12月-2211、自己要先看得起自己，別人才會(huì)看得起你。12/10/202210:38AM12/10/202210:38AM2022/12/102022/12/1012、這一秒不放棄，下一秒就會(huì)有希望。10-Dec-2210December20222022/12/1013、無(wú)論才能知識(shí)多么卓著，如果缺乏熱情，則無(wú)異紙上畫(huà)餅充饑，無(wú)補(bǔ)于事。Saturday,December10,202210-Dec-222022/12/1014、我只是自己不放過(guò)自己而已，現(xiàn)在我不會(huì)再逼自己眷戀了。2022/12/102022/12/1010December202210:38謝謝大家1、有時(shí)候讀書(shū)是一種巧妙地避開(kāi)思考的方法。2022/12/180集成電路技術(shù)講座

第十三講集成電路可靠性Reliability集成電路技術(shù)講座

第十三講集成電路可靠性81集成電路可靠性（一）可靠性概念和表征方法（二）失效規(guī)律－浴盆曲線（三）硅片級(jí)可靠性設(shè)計(jì)和測(cè)試（四）老化篩選和可靠性試驗(yàn)（五）失效模式和失效分析

集成電路可靠性（一）可靠性概念和表征方法82（一）可靠性概念和表征方法（一）可靠性概念和表征方法83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(yù)期壽命內(nèi)，在規(guī)定的條件下正常工作的概率．即集成電路能正常使用多長(zhǎng)時(shí)間．UnreliabilityF(t)=r/nn總樣品數(shù)r失效數(shù)ReliabilityR(t)=(n-r)/nFailureDensityf(t)=f(t,t+t)=r/nFailureRate(t)=(t,t+t)=r/(n-r)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(yù)期壽命內(nèi)84可靠性概念和表征方法平均失效率(Failurerate)（用于常數(shù)失效區(qū)）

Fr=Nf/NdtNf失效數(shù)Ndt器件數(shù)和試驗(yàn)小時(shí)數(shù)乘積

FIT(FailureInTime)=Fr*109

1小時(shí)內(nèi)每109個(gè)(10億)器件中有一個(gè)器件失效時(shí)，稱為1FIT(ppb),或1000小時(shí)內(nèi)每106個(gè)(100萬(wàn))器件中有一個(gè)器件失效時(shí)，稱為1FIT平均失效時(shí)間MTTF(MeanTimetoFailure)=1/Fr可靠性概念和表征方法平均失效率(Failurerate85與失效速率有關(guān)的函數(shù)在給定時(shí)間間隔dt中失效的總數(shù)分?jǐn)?shù)可用函數(shù)f(t)dt表示，f(t)為失效速率，累積失效數(shù)目是該函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分，

即為累積失效函數(shù)可靠性函數(shù)定義為在時(shí)間為t時(shí)仍未失效的總數(shù)分?jǐn)?shù)與失效速率有關(guān)的函數(shù)在給定時(shí)間間隔dt中失效的總數(shù)分?jǐn)?shù)可用函86失效函數(shù)的描述正態(tài)分布

f(t)=[1/(2)-0.5]Exp{-1/2[(t-)/]2}F(t)=[1/(2)-0.5]tExp{-0.5[(t-)/]2}dtWebull分布

F(t)=1-e-(t/)為器件的特征壽命為形狀函數(shù)失效函數(shù)的描述正態(tài)分布87塑封器件現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)失效率例

(FIT)器件類型應(yīng)用環(huán)境地面民用飛機(jī)汽車(chē)線性IC35.432數(shù)字SSI/MSI0.971011存儲(chǔ)器，微處理器2.31413美國(guó)可靠性分析中心（90年代）塑封器件現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)失效率例

(FIT)器件類型應(yīng)用環(huán)境地面民用88器件失效對(duì)系統(tǒng)性能的影響

Dataset:150to225ICsfailurerate(FIT)meantimetofailure(year)percentofsetsfailingpermonth10510.1610051.610000.516器件失效對(duì)系統(tǒng)性能的影響Dataset:150to89（二）失效規(guī)律－浴盆曲線（二）失效規(guī)律－浴盆曲線90浴盆曲線EarlyLifeFailure早期失效期UsefulLife偶然失效期Wearout耗損失效期時(shí)間失效速率浴盆曲線EarlyUsefulWearout時(shí)間失91早期失效期

器件的早期失效速率很快，且隨時(shí)間迅速變小，早期失效原因主要是由于設(shè)計(jì)和制造工藝上的缺陷引起．例如：氧化物針孔引起柵擊穿，壓焊不牢引起開(kāi)路．通過(guò)加強(qiáng)制造過(guò)程質(zhì)量管理來(lái)減少早期失效．老化篩選可以幫助剔除這些早期失效產(chǎn)品。早期失效期器件的早期失效速率很快，且隨時(shí)間迅速變小，早期92有用壽命期（隨機(jī)失效期）

浴盆曲線中第二個(gè)區(qū)域特點(diǎn)是失效速率低且穩(wěn)定，幾乎是常數(shù)，該區(qū)域的長(zhǎng)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(chǎng)等．最大因素是芯片溫度．失效機(jī)理有如：潮氣滲入鈍化層引起金屬銹蝕；金屬間化合物生長(zhǎng)引起的疲勞失效；潮氣沿界面滲入引起封裝開(kāi)裂等。該段時(shí)間也是產(chǎn)品在客戶手中使用和系統(tǒng)的預(yù)期壽命，在該范圍內(nèi)的失效速率與系統(tǒng)失效緊密相關(guān)．有用壽命期（隨機(jī)失效期）浴盆曲線中第二個(gè)區(qū)域特點(diǎn)是失效93耗損失效期

在曲線的最后區(qū)域，失效速率急劇上升，意味著封裝器件達(dá)到了預(yù)期壽命，諸如開(kāi)裂和過(guò)度的應(yīng)力不可能對(duì)該區(qū)域有重大影響，因?yàn)檫@些問(wèn)題造成的失效應(yīng)更早出現(xiàn)。引起該失效的最典型的原因是較慢銹蝕過(guò)程的累積效應(yīng)。失效速率開(kāi)始快速上升的時(shí)間應(yīng)該超過(guò)系統(tǒng)的預(yù)期壽命，以保證消費(fèi)者的質(zhì)量要求。耗損失效期在曲線的最后區(qū)域，失效速率急劇上升，意味著封94（三）硅片級(jí)可靠性設(shè)計(jì)和測(cè)試（三）硅片級(jí)可靠性設(shè)計(jì)和測(cè)試95硅片級(jí)可靠性（工藝可靠性）產(chǎn)品可靠性取決于設(shè)計(jì)，工藝和封裝相同設(shè)計(jì)規(guī)則，相同工藝和封裝的不同產(chǎn)品應(yīng)有相同的可靠性水平可靠性要從源頭－設(shè)計(jì)抓起可靠性是內(nèi)在質(zhì)量，是靠‘做’出來(lái)的，不是靠‘測(cè)’出來(lái)的硅片級(jí)可靠性（工藝可靠性）產(chǎn)品可靠性取決于設(shè)計(jì)，工藝和封裝96可靠性設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)的可靠性考慮器件和版圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性考慮工藝設(shè)計(jì)的可靠性考慮可靠性設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)的可靠性考慮97可靠性設(shè)計(jì)

－電路設(shè)計(jì)時(shí)的考慮盡量減少接觸點(diǎn)數(shù)目和芯片面積盡量減少電流和功耗，pn結(jié)溫提高電路冗余度．如增加放大級(jí)數(shù)，減少每級(jí)的增益，對(duì)邏輯電路，要使噪聲容限和扇出數(shù)留有余量采用輸入保護(hù)措施可靠性設(shè)計(jì)

－電路設(shè)計(jì)時(shí)的考慮盡量減少接觸點(diǎn)數(shù)目和芯片面積98可靠性設(shè)計(jì)

－器件和版圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的考慮溝道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要考慮熱電子問(wèn)題鋁布線的電流密度應(yīng)在106A/cm2以下，以防止斷線和電遷移元件布局，應(yīng)將容易受溫度影響的元件，遠(yuǎn)離發(fā)熱元件在必須匹配的電路中，應(yīng)將相關(guān)元件并排或?qū)ΨQ排列版圖上防止Latchup的措施芯片邊緣和劃片道的設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)

－器件和版圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的考慮溝道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要考慮熱99可靠性設(shè)計(jì)

－工藝設(shè)計(jì)時(shí)的考慮氧化膜中的可動(dòng)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)可靠性設(shè)計(jì)

－工藝設(shè)計(jì)時(shí)的考慮氧化膜中的可動(dòng)離子100硅片級(jí)可靠性測(cè)試TDDB測(cè)試電遷移測(cè)試熱載流子測(cè)試硅片級(jí)可靠性測(cè)試TDDB測(cè)試101TDDB直接評(píng)估介質(zhì)電學(xué)特性，硅片級(jí)預(yù)測(cè)器件壽命測(cè)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(cè)試參數(shù)：Ebd，tbd,QbdQbd＝tdbJ(t)dtTDDB直接評(píng)估介質(zhì)電學(xué)特性，硅片級(jí)預(yù)測(cè)器件壽命102TDDB測(cè)試TDDB測(cè)試103TDDBTDDB104TDDBTDDB105電遷移現(xiàn)象MTF=AJ-nexp[-EA/kT]MTF=20年Jmax=105A/cm2電遷移現(xiàn)象MTF=AJ-nexp[-EA/kT]MTF=2106電遷移測(cè)試101004001000MTF(hr)

PureAlAl-4%CuJ=4E6A/cm2T=175℃積累失效9070503010%電遷移測(cè)試101004001000Pur107熱電子效應(yīng)VgsN+N+VdVsVbIsubIg熱電子效應(yīng)VgsN+N+VdVsVbIsubIg108熱電子效應(yīng)測(cè)試NMOS0.5um5Vdesign測(cè)試方法Vds=6.7V，7.0V,7.3VVssandVbs=0VVgssettomaxIbs失效判據(jù)：Gm偏移10%時(shí)所需時(shí)間T0.1(-->timeto0.1failure)作Ibs/Ids－T0.1圖根據(jù)Berkeleymodel預(yù)測(cè)壽命ttfIds=Cx-m(ttf是失效0.1%的時(shí)間,C是Ibs/Ids－T0.1圖截距，m是斜率）熱電子效應(yīng)測(cè)試NMOS0.5um5Vdesign109（四）老化和可靠性試驗(yàn)（四）老化和可靠性試驗(yàn)110老化篩選(Burnin)老化篩選－從對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，存放特性，電學(xué)性能穩(wěn)定性等方面去排除器件的潛在缺陷和故障，為使產(chǎn)品穩(wěn)定化所進(jìn)行的處理估計(jì)早期失效率(PPM),可及早發(fā)現(xiàn)并改善失效模式試驗(yàn)時(shí)間短(<168hr)，隨機(jī)抽樣對(duì)要求高可靠產(chǎn)品，可對(duì)全部產(chǎn)品老化老化篩選適應(yīng)種類和條件條件必須選擇適當(dāng)，否則不但浪費(fèi)時(shí)間，還會(huì)降低可靠性老化篩選(Burnin)老化篩選－從對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，存放111老化篩選(例）試驗(yàn)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125-150C24-168hr溫度循環(huán)表面沾污，鍵合不良，芯片黏結(jié)不良(-65C)/150C)250cycle振動(dòng)鍵合不良，芯片開(kāi)裂，引線開(kāi)／短路數(shù)十g,50Hz振動(dòng)10-60s偏壓試驗(yàn)金屬顆粒，沾污，針孔10-150C,24-250V老化篩選(例）試驗(yàn)名稱所排除的故障篩選方法高溫存放表面沾污，112可靠性試試驗(yàn)(1)

可靠性評(píng)價(jià)不可能等待器件自然失效后再進(jìn)行測(cè)試和分析，而是通過(guò)一系列模擬環(huán)境和加速試驗(yàn)，使器件在較短的時(shí)間內(nèi)失效，然后再進(jìn)行失效機(jī)理的分析。加速因子包括潮氣、溫度、一般的環(huán)境應(yīng)力和剩余應(yīng)力等。設(shè)計(jì)合理的加速試驗(yàn)，可以達(dá)到檢測(cè)器件可靠性的目的。選擇合適的樣本數(shù)也是可靠性試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)之一，因?yàn)闃颖緮?shù)少了，不能真實(shí)反映器件的可靠性，樣本數(shù)太大的話，又會(huì)造成資源的浪費(fèi)，需用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，合理選擇樣本數(shù)。可靠性試試驗(yàn)(1)可靠性評(píng)價(jià)不可能等待器件自然失效后113可靠性試試驗(yàn)(2)

對(duì)于使用壽命很長(zhǎng)、可靠性很高的產(chǎn)品來(lái)講，在60％的置信度(confidencelevel)下，以每千小時(shí)0.1％的失效速率(即103FIT)測(cè)試產(chǎn)品，則無(wú)失效時(shí)間長(zhǎng)達(dá)915,000小時(shí)，即若器件樣本數(shù)為915，則要測(cè)試1,000小時(shí)才會(huì)有一個(gè)器件失效；若器件的樣本數(shù)為92，則要測(cè)試10,000小時(shí)才會(huì)有一個(gè)器件失效，這樣的測(cè)試即不經(jīng)濟(jì)又費(fèi)時(shí)，因此，必須在加速使用條件下進(jìn)行測(cè)試。由于失效分析是按照抽樣的方法進(jìn)行分析，所以，在分析失效速度時(shí)要用到許多統(tǒng)計(jì)的方法，包括根據(jù)可靠性要求設(shè)計(jì)的置信度和樣本數(shù)，按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立和分析，然后推導(dǎo)出器件的預(yù)期壽命。

可靠性試試驗(yàn)(2)對(duì)于使用壽命很長(zhǎng)、可靠性很高的產(chǎn)品來(lái)講114加速測(cè)試(1)

加速試驗(yàn)的目的是在于讓確實(shí)存在的缺陷提前暴露出來(lái)，而不是為了誘導(dǎo)產(chǎn)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(guān)聯(lián)，否則可能對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝參數(shù)確定等方面產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。

加速測(cè)試(1)加速試驗(yàn)的目的是在于讓確實(shí)存在的缺陷提前暴115加速因子加速因子：常規(guī)條件下的失效時(shí)間

加速試驗(yàn)條件下的失效時(shí)間加速因子不但與加速試驗(yàn)條件有關(guān)，還與失效機(jī)理、失效位置等因素有關(guān)加速因子加速因子：常規(guī)條件下的失效時(shí)間116加速因子At=t1/t2=Exp[-Ea/k(1/TTEST-TUSE)]t1MTTFatTTEST

t2MTTFatTUSEEa熱激活能(eV)（和失效機(jī)理有關(guān)）Oxide0.8eVContamination1.4eVSiJunctionDefect0.8eV加速因子At=t1/t2=Exp[-Ea/k(1/TT117加速因子（例）TestTempNoofDeviceHrAtTTESTUseTemp加速因子AtEpqivalentDeviceHr@55C135C43475055C12855648000125C21100055C7716247000加速因子（例）TestNoofDeviceHrUse加118可靠性試驗(yàn)種類環(huán)境試驗(yàn)

高溫儲(chǔ)存，溫度循環(huán)/沖擊，高壓蒸煮，潮濕偏壓，鹽霧，耐焊接熱壽命試驗(yàn) 偏壓高溫壽命試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)壽命試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)高溫壽命試驗(yàn)機(jī)械試驗(yàn) 振動(dòng)/沖擊、加速度、可焊性、鍵合強(qiáng)度ESD測(cè)試可靠性試驗(yàn)種類環(huán)境試驗(yàn)119高溫工作壽命（HTOL)條件：125oC或150oC，Vccmax，frequencymax,至少1000devices-hrs目的：發(fā)現(xiàn)熱/電加速失效機(jī)理，預(yù)估長(zhǎng)期工作的失效率失效機(jī)理：高溫下芯片表面和內(nèi)部的缺陷進(jìn)一步生長(zhǎng)，可動(dòng)離子富集導(dǎo)致的表面溝道漏電，使結(jié)特性退化.電場(chǎng)加速介質(zhì)擊穿，高溫加速電遷移等(對(duì)大功率器件，可采用常溫功率負(fù)荷的方式使結(jié)溫達(dá)到額定值)高溫工作壽命（HTOL)條件：125oC或150oC，V120高溫反偏試驗(yàn)(HRB)適用高壓MOSFET功率管(例如600V/4A)條件：125oCor150oC，Vgs=0V,Vds=80%ofmaxBVdssDuration:(168,500),1000hr目的：加速耐高壓性能退化失效機(jī)理：高溫，高電壓作用下離子沾污活動(dòng)改變電場(chǎng)分布高溫反偏試驗(yàn)(HRB)適用高壓MOSFET功率管(例如6121高溫反偏試驗(yàn)數(shù)據(jù)例TotalLotsTested71TotalDevicesTested2031TotalEquiv.DevicesHours@125oC1959430NumberofFailure0FailureRate(FIT)125oC60%UCL470FailureRate(FIT)90oC60%UCL28MTTF(Years)125oC60%UCL243MTTF(Years)90oC60%UCL4060高溫反偏試驗(yàn)數(shù)據(jù)例TotalLotsTested71To122溫度循環(huán)（T/C）條件：500cycles,-65℃to+150℃ataramprateof25℃/minandwith20mindwellateachtemperatureextreme目的：模擬環(huán)境溫度變化,考核溫度交替變化對(duì)產(chǎn)品機(jī)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(wèn)題失效機(jī)理：不同材料間熱膨脹系數(shù)差異造成界面熱匹配問(wèn)題，造成金線斷裂、鍵合脫落致使開(kāi)路，塑封開(kāi)裂使密封性失效、界面分層使熱阻增大、鈍化層開(kāi)裂、硅鋁接觸開(kāi)路、芯片開(kāi)裂溫度循環(huán)（T/C）條件：500cycles,-65℃123高壓蒸煮（PCT/Autoclave）條件：121oC/100%RH，205kPa（2atm），168hrs目的：檢驗(yàn)器件抵抗水汽侵入及腐蝕的能力。失效機(jī)理：濕氣通過(guò)塑封體及各界面被吸入并到達(dá)芯片表面,在鍵合區(qū)形成原電池而加速鋁的腐蝕。另外，水汽帶入的雜質(zhì)在器件表面形成漏電通道。高壓蒸煮（PCT/Autoclave）條件：121oC/1124高溫高濕電加速（THB/HAST）條件：THB85oC/85%RH，Vccmaxstaticbias，1000hrs HAST130oC/85%RH/2atm，Vccmaxbias，100hrs（24hrsHAST≈1000hrsTHB）目的：模擬非密封器件在高溫高濕環(huán)境下工作，檢驗(yàn)塑封產(chǎn)品抗水汽侵入并腐蝕的能力失效機(jī)理：相對(duì)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(qū)的電化學(xué)腐蝕。同時(shí)，水汽或塑封體內(nèi)的雜質(zhì)在電應(yīng)力作用下富集在鍵合區(qū)和塑封體內(nèi)引腳之間而形成漏電通道。高溫高濕電加速（THB/HAST）條件：THB85oC/125常用可靠性試驗(yàn)匯總表(1)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsLow-temperatureoperatinglife低溫工作壽命-10℃/Vccmax/maxfrequency/min1,000devicehr/outputsloadedtodrawratedcurrentfieldoperationinsub-zeroenvironmentJEDEC-STD-22TM-A106High-temperatureoperatinglife高溫工作壽命+125℃or150℃/Vccmax/maxfrequency/min1,000devicehr/outputsloadedtodrawratedcurrentfieldoperationinnormalenvironmentMIL–STD-883method1005Temperaturecycling溫度循環(huán)500cycles,-65℃to+150℃ataramprateof25℃/minandwith20mindwellateachtemperatureextremeday-night,seasonal,andotherchangesinenvironmenttemperatureMIL-STD-883method1010C常用可靠性試驗(yàn)匯總表(1)TestTestconditi126常用可靠性試驗(yàn)匯總表(2)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsTemperaturecycling,humidity,andbias60cycles,VccON/OFFat5-mininterval,95%RH,+30to+65℃withheatingandcoolingtimeof4hreachandadwellof8hrateachtemperatureextremeslowchangesinenvironmentconditionswhiledeviceisoperatingJEDEC–STD-22TM-A104Powerandtemperaturecycling功率和溫度循環(huán)onlyondevicesexperiencingriseinjunctiontemperaturegreaterthan20℃;min1,000cyclesof–40to+125℃changesinenvironmenttemperaturewhiledeviceisoperatingJEDEC–STD-22TM-A106常用可靠性試驗(yàn)匯總表(2)TestTestconditi127常用可靠性試驗(yàn)匯總表(3)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsThermalshock熱沖擊500cyclesof–55to+125℃rapidchangeinfieldorhandlingenvironmentMIL-STD-883method1011BHightempera-turestorage高溫存儲(chǔ)150℃,for1,000hrminstorageMIL-STD-883method1008TemperaturehumiditybiasVccmax/85℃/85%RH/1,000hrminoperationinhigh-humidityenvironmentJEDEC–STD-22TM-A108HighlyacceleratedstresstestVccmax/130℃/85%RH/240hrminoperationinhigh-humidityenvironmentJEDEC–STD-22TM-A110常用可靠性試驗(yàn)匯總表(3)TestTestconditi128常用可靠性試驗(yàn)匯總表(4)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsPressurecooker(autoclave)121C2atm96to240hrJEDECA102BMoistureresistance10cycle25to65CRH=90TO98%MILSTD8831004Saltatmosphere鹽霧試驗(yàn)10to50grofNaCl/metres2@35CMILSTD8831009常用可靠性試驗(yàn)匯總表(4)TestTestconditi129常用可靠性試驗(yàn)匯總表(5)TestTestconditionSimulatedenvironmentApplicablestandardsMechanicalshock5shockpulsesofg-levelanddurationasperdevicespecificationalongaparticularaxisavionicsorspacecraftlaunchenvironmentMIL-STD-2002Vibrationvariablefrequencyvariationfrom20to2,000Hzandbackto20Hz,durationofmorethan4minavionicsorspacecraftlaunchenvironmentMIL-STD-2007Constantacceleration30000G1min,MIL-STD-2001Solderability215to245C3to5secondsJEDECB102B常用可靠性試驗(yàn)匯總表(5)TestTestconditi130（五）失效模式和失效分析（五）失效模式和失效分析131DistributionoffailureincommercialIC

Distributionoffailureincom132失效模式芯片工藝引起的失效封裝引起的失效失效模式芯片工藝引起的失效133失效模式－芯片工藝引起的失效失效因素失效現(xiàn)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(dòng)電荷布線失效電極間開(kāi)路，無(wú)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－芯片工藝引起的失效失效因素失效現(xiàn)象失效原因表面退化134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(yīng)力芯片裂紋；鋁膜變形；鍵合線斷裂溫度循環(huán)后芯片和框架間黏結(jié)變壞失效模式

－封裝工藝引起的失效鍵合不良金屬間化合物；焊球135失效分析流程失效器件足夠信息數(shù)據(jù)分析外觀檢查使用信息ＮＹ失效分析流程失效器件足夠數(shù)據(jù)分析外觀檢查使用信息ＮＹ136失效分析流程（續(xù)）需X線？測(cè)試X-ray專門(mén)測(cè)試？烘烤圖示儀測(cè)試氣密封裝？Burn-in測(cè)試Fail氣密測(cè)試失效分析流程（續(xù)）需X線？測(cè)試X-ray專門(mén)測(cè)烘烤圖示儀測(cè)137失效分析流程（續(xù)）開(kāi)封測(cè)試目檢異常？失效機(jī)理清楚？應(yīng)用分析技術(shù)ＮＹ改進(jìn)措施失效分析流程（續(xù)）開(kāi)封測(cè)試目檢異常失效機(jī)理應(yīng)用分析ＮＹ改進(jìn)措138失效分析技術(shù)／工具Sophisticatedbenchtestingequipment:Curvetrace（圖示儀）;BenchTestingMicroprobing

Packageanalysis:X-ray;Acousticmicroscope（聲學(xué)顯微鏡）Decapsulationtechniques（開(kāi)封技術(shù)）Chemicalanddrydepassivatingmethod（去除鈍化層技術(shù)）失效分析技術(shù)／工具Sophisticatedbench139失效分析技術(shù)／工具Internalvisualinspection（目檢）:Microscope（顯微鏡）Scanningelectronmicroscope（掃描電子顯微鏡）Defectlocation:Emissionmicroscope(發(fā)射電子顯微鏡），LiquidCrystalAnalysis(液晶）其他：SIMS（二次離子質(zhì)譜）,FIB（聚焦離子束）,XPS（X射線光電能譜儀）,AES（俄歇能譜儀）失效分析技術(shù)／工具Internalvisualins140X射線成像術(shù)X射線成像術(shù)141聲掃描顯微鏡成像原理(1)WhatareUltrasonicWaves?Ultrasonicwavesrefertosoundwavesabove20kHz(notaudibletothehumanear)CharacteristicsofUltrasonicWavesFreelypropagatethroughliquidsandsolidsReflectatboundariesofinternalflawsandchangeofmaterialCapableofbeingfocused,straighttransmissionSuitableforReal-TimeprocessingHarmlesstothehumanbodyNon-destructivetomaterialSONAR聲掃描顯微鏡成像原理(1)WhatareUltrason142A-Scansaretherawultrasonicdata.AnA-ScanisagraphofVoltage(electricalresponse)overaperiodoftime.Thetime-scaleisdisplayedhorizontallyandhasunitsinmillionthsofasecond(micro-sec