以下文章來源于學(xué)習(xí)那些事，作者小陳婆婆

失效機(jī)理

本文介紹內(nèi)容為：半導(dǎo)體集成電路失效機(jī)理中與封裝有關(guān)的失效機(jī)理，分述如下

封裝材料α射線引起的軟誤差

水汽引起的分層效應(yīng)

金屬化腐蝕：鋁互連線的腐蝕問題

1封裝材料α射線引起的軟誤差

產(chǎn)生機(jī)理

鈾或釷等放射性元素是集成電路封裝材料中天然存在的雜質(zhì)。這些材料發(fā)射的α粒子進(jìn)入硅中時(shí)，會(huì)在粒子經(jīng)過的路徑上產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下被電路結(jié)點(diǎn)收集，從而引起電路誤動(dòng)作。具體表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)電荷丟失、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）存儲(chǔ)單元翻轉(zhuǎn)、動(dòng)態(tài)邏輯電路信息丟失或其他邏輯單元電路漏極耗盡區(qū)中存儲(chǔ)的信息丟失。

吸收一個(gè)4MeV的α粒子能產(chǎn)生10^6^個(gè)電子-空穴對(duì)，電荷數(shù)量等于或大于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的電荷。在一個(gè)包含1000個(gè)16KB存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，典型的軟錯(cuò)誤率可能是每1000小時(shí)發(fā)生一次軟誤差的數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于器件失效率為1000FIT（失效時(shí)間間隔）。

改進(jìn)措施

針對(duì)封裝材料α射線引起的軟誤差問題，可以采取以下改進(jìn)措施：

·提高封裝材料的純度：通過減少封裝材料中鈾、釷等放射性元素的含量，可以降低α粒子的來源，從而減少軟誤差的發(fā)生。

·片表面涂阻擋層：在芯片表面涂覆一層阻擋層，如聚酸胺系列有機(jī)高分子化合物等，可以有效阻止α粒子射入芯片中，從而降低軟誤差率。

·優(yōu)化器件設(shè)計(jì)：從器件設(shè)計(jì)入手，增加存儲(chǔ)單元單位面積的電荷存儲(chǔ)容量。例如，采用介電系數(shù)大的材料或溝槽結(jié)構(gòu)電容來增大存儲(chǔ)電容面積，或者在襯底中加隱埋層，提高雜質(zhì)濃度并使雜質(zhì)分布優(yōu)化，以降低電荷收集效率而不提高結(jié)電容，從而保持電路性能。

·優(yōu)化電路設(shè)計(jì)：采用糾錯(cuò)碼（ECC）技術(shù)來優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。ECC技術(shù)可以檢測(cè)和糾正數(shù)據(jù)傳輸或存儲(chǔ)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，從而降低軟誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

·改進(jìn)時(shí)序控制電路：在DRAM等存儲(chǔ)器中，采用復(fù)雜的時(shí)序控制電路來縮短位線電壓的浮動(dòng)時(shí)間。這有助于減少因α粒子引起的電路誤動(dòng)作，從而降低軟誤差率。

綜上所述，通過提高封裝材料的純度、涂覆阻擋層、優(yōu)化器件和電路設(shè)計(jì)以及改進(jìn)時(shí)序控制電路等措施，可以有效降低封裝材料α射線引起的軟誤差率，提高集成電路的穩(wěn)定性和可靠性。

2水汽引起的分層效應(yīng)

塑封IC與水汽分層效應(yīng)概述

塑封IC，即以塑料等樹脂類聚合物材料封裝的集成電路，在封裝過程中及后續(xù)使用中，可能因水汽吸附引發(fā)分層效應(yīng)，導(dǎo)致器件失效。這種分層效應(yīng)，俗稱“爆米花”效應(yīng)，對(duì)集成電路的穩(wěn)定性和可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

失效機(jī)理

塑封料中的水分在高溫環(huán)境下會(huì)迅速膨脹，這種膨脹力導(dǎo)致塑封料與其附著的金屬框架和芯片之間發(fā)生分離。當(dāng)膨脹力達(dá)到一定程度時(shí)，塑封體甚至可能爆裂，嚴(yán)重?fù)p傷芯片、使鈍化層破裂、拉斷鍵合引線，從而導(dǎo)致器件失效。

危害

水汽引起的分層效應(yīng)對(duì)集成電路的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

·損傷芯片：分層效應(yīng)可能導(dǎo)致芯片表面或內(nèi)部受到機(jī)械損傷，影響芯片的正常功能。

·鈍化層破裂：鈍化層是保護(hù)芯片免受外界環(huán)境影響的關(guān)鍵層，其破裂將降低芯片的防護(hù)能力。

·拉斷鍵合引線：鍵合引線是連接芯片與外部電路的關(guān)鍵部分，其斷裂將導(dǎo)致信號(hào)傳輸中斷。

水汽進(jìn)入途徑

水汽主要通過以下途徑進(jìn)入塑封IC：

·塑料體滲透：水汽通過塑料材料本身的微小孔隙滲透進(jìn)入封裝體內(nèi)部。

·交界面進(jìn)入：水汽從塑料與金屬框架（外引線）的交界面處滲透進(jìn)入封裝體。

改進(jìn)措施

針對(duì)水汽引起的分層效應(yīng)，可以采取以下改進(jìn)措施：

減少封裝體內(nèi)部氣泡：在IC后道封裝的塑封過程中，優(yōu)化環(huán)氧模塑料的充填成型工藝，確保空氣及揮發(fā)性物質(zhì)在壓實(shí)階段完全排出，避免內(nèi)部氣泡的產(chǎn)生。采用樹脂預(yù)熱時(shí)溫差工藝，通過合理的溫度梯度控制，使樹脂在熔化過程中更有效地排出空氣。

減小金屬框架對(duì)封裝的影響：選擇銅質(zhì)引線框架，以提高塑封IC的熱匹配性，減少因熱應(yīng)力引起的分層效應(yīng)。增加去除塑封沖制成形時(shí)毛刺的工序，減小應(yīng)力集中，提高封裝的可靠性。

電裝要求：拆包后的器件應(yīng)盡快進(jìn)行裝配，避免長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中吸附水汽。未及時(shí)裝配的器件應(yīng)保存在干燥的環(huán)境中，或在高溫烘烤后去除表面吸附的水汽后再進(jìn)行電裝。

通過采取上述改進(jìn)措施，可以有效降低水汽引起的分層效應(yīng)對(duì)塑封IC的影響，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。

3金屬化腐蝕：鋁互連線的腐蝕問題

在集成電路中，金屬鋁因其價(jià)格便宜和易于大量生產(chǎn)而被廣泛用作互連線材料。然而，鋁是一種化學(xué)活潑金屬，容易受到水汽的腐蝕。特別是在樹脂包封的集成電路中，水汽可以穿透樹脂層到達(dá)鋁互連線處，與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋁互連線的腐蝕。這種腐蝕現(xiàn)象對(duì)集成電路的穩(wěn)定性和可靠性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

失效機(jī)理

金屬鋁的腐蝕主要分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種機(jī)制：

·化學(xué)腐蝕：當(dāng)集成電路存放在高溫高濕環(huán)境中時(shí)，鋁會(huì)發(fā)生化學(xué)腐蝕。在干燥空氣中，鋁表面會(huì)形成一層氧化鋁（Al?O?）保護(hù)膜，防止化學(xué)腐蝕的發(fā)生。但在潮濕環(huán)境中，這層保護(hù)膜會(huì)被破壞，形成氫氧化鋁（Al(OH)?），該物質(zhì)既溶于酸也溶于堿。

當(dāng)有外部物質(zhì)（如酸性或堿性物質(zhì)）到達(dá)鋁表面時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋁的腐蝕。特別是在引線鍵合處的Pad部分，金屬鋁是暴露于表面的，因此更容易受到化學(xué)腐蝕的攻擊。

·電化學(xué)腐蝕：當(dāng)集成電路工作于高溫高濕環(huán)境中時(shí)，還會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。根據(jù)鋁電極的電勢(shì)是正還是負(fù)，電化學(xué)腐蝕分為陽極腐蝕和陰極腐蝕。陽極腐蝕時(shí)，鋁電極是正電位，負(fù)離子（如Cl?）被吸引過來，與鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕。

陰極腐蝕時(shí)，鋁電極是負(fù)電位，正離子（如Na?、K?）被吸引過來，與水電離產(chǎn)生的OH?離子反應(yīng)，形成氫氧化鋁，從而產(chǎn)生腐蝕。

危害與影響

金屬鋁的腐蝕會(huì)導(dǎo)致互連線電阻增加、信號(hào)傳輸性能下降，甚至引起電路開路或短路，嚴(yán)重影響集成電路的穩(wěn)定性和可靠性。此外，腐蝕還會(huì)破壞芯片表面的鈍化膜，進(jìn)一步降低芯片的防護(hù)能力。

改進(jìn)措施

為了防止鋁的腐蝕，可以采取以下改進(jìn)措施：

·控制加工過程和裝配工藝的清潔度：確保在加工和裝配過程中，避免雜質(zhì)和污染物的引入，降低封裝樹脂中的雜質(zhì)濃度。

·使用陶瓷密封包裝：陶瓷材料具有良好的密封性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以有效防止水汽和雜質(zhì)的滲透，保護(hù)鋁互連線不受腐蝕。

·去除殘余氯的鈍化方法：在片子腐蝕后而暴露于大氣之前，立即用CF?—O或O?等離子體處理去掉殘余的氯，進(jìn)一步提高鋁互連線的穩(wěn)定性。

·熱氧化金屬：通過熱氧化處理，可以在鋁表面形成一層致密的氧化鋁保護(hù)膜，提高鋁的耐腐蝕性。

·控制介質(zhì)中的磷含量：在磷硅玻璃中保持6%的最小磷含量，可以減少對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的侵蝕。

綜上所述，通過采取上述改進(jìn)措施，可以有效降低金屬鋁在集成電路中的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，提高集成電路的穩(wěn)定性和可靠性。集成電路外引線及鍵合引線相關(guān)失效問題及改進(jìn)措施。