暢興平

(襄樊學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

混合集成電路中金鋁鍵合可靠性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

暢興平

(襄樊學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

針對(duì)混合集成電路中粗鋁絲與厚膜金導(dǎo)體所形成的Al/Au鍵合系統(tǒng)的可靠性，提出了樣品在加速應(yīng)力(150℃)條件下的實(shí)驗(yàn)方案，得出在125℃、150℃、175℃三種加速溫度應(yīng)力條件下樣品電阻的變化率隨高溫儲(chǔ)存時(shí)間線性增加，但當(dāng)Al/Au系統(tǒng)的互連接觸電阻變化率達(dá)到20%后，電阻的變化率即退化速率顯著增加；在恒定溫度應(yīng)力下，Al/Au鍵合系統(tǒng)的退化主要表現(xiàn)為接觸電阻增加，鍵合強(qiáng)度下降.

混合集成電路；Al/Au鍵合；壽命評(píng)價(jià)；加速實(shí)驗(yàn)

大規(guī)模的集成電路在信息技術(shù)及其他現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用，尤其是在汽車電子、醫(yī)用電子器件、雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)、高速計(jì)算機(jī)以及通信系統(tǒng)領(lǐng)域中有著很廣泛的應(yīng)用. 隨著大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)其可靠性提出越來越高的要求，而金鋁鍵合的可靠性正是影響混合集成電路可靠性的重要因素.

混合集成電路中的大功率芯片，通常采用鋁絲(含1%的硅)以楔形焊形式完成功率芯片電極與厚膜金導(dǎo)體的電氣互連. 在混合集成電路中，有源器件失效和內(nèi)引線鍵合失效分別占模塊失效的31.3% 和23.2%[1].在DC/DC變換器中，為適應(yīng)大電流的要求，VDMOS管電極的連接采用了粗鋁絲，它與厚膜金導(dǎo)體采用楔形焊的形式焊接形成Al/Au系統(tǒng)，而在溫度應(yīng)力下，Al/Au接觸所形成金屬間化合物，造成接觸電阻增加，鍵合強(qiáng)度下降，增加電路損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鍵合界面斷裂，影響電源模塊性能.

因此，研究混合集成電路中粗鋁絲與厚膜金導(dǎo)體的鍵合可靠性對(duì)大功率模塊，特別是電源模塊，具有重要的研究意義.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

為評(píng)價(jià)、分析電子元器件的可靠性而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)稱為電子元器件可靠性實(shí)驗(yàn)，其目的是考核電子元器件在存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用等情況下的可靠性. 這就要求實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)受試樣品施加一定的應(yīng)力，諸如溫度應(yīng)力、電氣應(yīng)力、氣候應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力等. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且丛谶@些應(yīng)力的作用下，電子元器件反應(yīng)出的性能是否穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否完整或是否有所變形，從而判別其產(chǎn)品是否失效[2].

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

采用加速壽命實(shí)驗(yàn)，所謂加速壽命實(shí)驗(yàn)就是用加大應(yīng)力的方法促使樣品在短時(shí)期內(nèi)失效，從而預(yù)測(cè)電子產(chǎn)品在正常儲(chǔ)存條件或工作條件下的可靠性. 例如將器件置于比較高的熱、電等應(yīng)力條件下使之加速失效，并從中求出加速系數(shù).

加速壽命實(shí)驗(yàn)所加的應(yīng)力有溫度、功率、電壓、電流或者振動(dòng)、沖擊、離心加速等應(yīng)力，常用的實(shí)驗(yàn)方法有高溫儲(chǔ)存、高溫工作、超功率工作、高溫高濕儲(chǔ)存、高溫反偏等加速實(shí)驗(yàn). 其中，高溫儲(chǔ)存加速實(shí)驗(yàn)最容易成功，加電功率的加速壽命實(shí)驗(yàn)比較困難. 從施加應(yīng)力方式的不同又可將加速壽命實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力分為恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力和續(xù)進(jìn)應(yīng)力3種. 其中步進(jìn)應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn)和續(xù)進(jìn)應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1、2所示.[3]

圖1 步進(jìn)應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn)

圖2 續(xù)進(jìn)應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn)

要評(píng)價(jià) Al/Au鍵合系統(tǒng)的壽命，必須選擇合適的模型. 加速壽命實(shí)驗(yàn)的常用模型有阿列尼烏斯(Arrhenius)模型、愛倫模型及以電應(yīng)力為加速變量的加速模型[4]. 基于Al/Au鍵合系統(tǒng)的失效機(jī)理，由于鍵合結(jié)構(gòu)退化直觀表現(xiàn)為接觸電阻增加，鍵合強(qiáng)度下降[5]，因此又建立了電阻模型、鍵合拉力模型[6]、臨界厚度模型等. 器件的失效大多是由于器件表面狀態(tài)的變化和體內(nèi)金屬化系統(tǒng)等的物理化學(xué)變化造成的. 這些變化過程與溫度有密切的關(guān)系，當(dāng)溫度升高以后，這些物理變化過程大大加快，器件的失效過程被加速，這就是加速壽命實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù). 這里選用Arrhenius模型來評(píng)價(jià)Al/Au鍵合系統(tǒng)的壽命.

通常用阿列尼烏斯模型來模擬電子器件失效速度與溫度的關(guān)系，其關(guān)系式如下[7]:

電子元器件由正常狀態(tài)向失效狀態(tài)變化的過程中，其間存在著一能量勢(shì)壘，勢(shì)壘的高度稱為激活能，如圖3所示.

圖3 元器件狀態(tài)變化圖

圖4線性加速曲線

如果設(shè)時(shí)間為t0時(shí)產(chǎn)品處于正常狀態(tài)(實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的狀態(tài))，記為M0；時(shí)間為t1時(shí)，產(chǎn)品處于失效狀態(tài)記為，那么，式(1)中就表示產(chǎn)品失效的速率. 若溫度T與時(shí)間t無關(guān)，則可得

設(shè)產(chǎn)品存在溫度 T1和 T2兩個(gè)條件(T2> T1)，分別代入式(2)，得，則可得，求出了b，便可以計(jì)算E和a：

由式(3)可以看出，不同的F0值，對(duì)應(yīng)于不同的a值. 斜率b和激活能E只與元器件的失效模式和失效機(jī)理有關(guān)，而不同類型的元器件因失效模式和失效機(jī)可能不同，因此其綜合激活能就有所不同. 求得b和a之后，根據(jù)式(2)就可預(yù)測(cè)T與t的關(guān)系.

確定失效模式的激活能E之后，就可以求得加速系數(shù)τ. 設(shè)在高溫T1下進(jìn)行加速壽命實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)累計(jì)失效概率的加速失效時(shí)間為t1( F0)；而在正常溫度 T0(即基準(zhǔn)應(yīng)力條件)下進(jìn)行壽命實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)同樣累計(jì)失效概率的正常失效時(shí)間t0(F0)，則由式(2)可得加速系數(shù)

依據(jù)Arrhenius模型，理論上講只需要兩組應(yīng)力水平就能計(jì)算出激活能，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的壽命. 但為了通過加速壽命實(shí)驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確地推算出正常應(yīng)力條件下的壽命特征，通常要同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)等級(jí)應(yīng)力水平的實(shí)驗(yàn)，這叫做加速變量的水平數(shù). 將加速變量記做S，假設(shè)都是正值，其水平記做S1，S2，…，Sl，按由小到大的次序排列. 對(duì)于恒定應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn)，最好l≥4，不得小于3，少了得不到準(zhǔn)確的結(jié)果. 但也不宜過多，否則耗費(fèi)大、耗時(shí)多.

S1的數(shù)值應(yīng)盡量靠近正常條件下的應(yīng)力水平，這樣由其實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算正常條件下的可靠性壽命就越準(zhǔn)確. 當(dāng)然，S1的數(shù)值也不能太接近正常應(yīng)力水平，否則起不到加速實(shí)驗(yàn)、節(jié)省時(shí)間的作用. Sl的數(shù)值應(yīng)盡量高，但是必須保證器件在Sl應(yīng)力水平下的失效機(jī)理與在正常應(yīng)力水平下的失效機(jī)理是相同的，否則，此實(shí)驗(yàn)就不是“真實(shí)”的加速. S1和Sl確定后，各應(yīng)力水平的間隔通?？砂慈缦略瓌t選取，?。?/p>

整個(gè)恒定加速應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn)由幾次實(shí)驗(yàn)組成，是由加速變量的水平數(shù)l決定的，而各次實(shí)驗(yàn)都要有自己的實(shí)驗(yàn)樣品. 在恒定應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn)中，每次實(shí)驗(yàn)樣品個(gè)數(shù)，通常可取相等的個(gè)數(shù). 如果不相當(dāng)，至少要保證n1和nl是最多樣品個(gè)數(shù)，同時(shí)，要確保任何一次實(shí)驗(yàn)的樣品個(gè)數(shù)ni都不應(yīng)少于5個(gè)，否則會(huì)影響統(tǒng)計(jì)分析的精確度.

依據(jù) Arrhenius模型的基本理論，選擇三組恒定溫度作為加速壽命應(yīng)力，即l=3. 大部分大功率混合集成電路的最高使用溫度為125℃[9]. 因此，選擇125℃作為最低的加速應(yīng)力，S1=125℃. 同時(shí)，參考文獻(xiàn)[4,7-9]，結(jié)合樣品自身的實(shí)際情況，選擇175℃作為最高的加速應(yīng)力，即Sl=175℃. 因此，即S2=145℃. 但基于文獻(xiàn)[8, 10, 11, 12]均選擇150℃作為加速應(yīng)力，因此取S2=150℃.

綜上所述，為評(píng)價(jià)混合集成電路中粗鋁絲與厚膜金導(dǎo)體所形成的Al/Au鍵合系統(tǒng)的可靠性，選擇了三組溫度應(yīng)力作為加速應(yīng)力，這三組應(yīng)力分別為：S1=125℃，S2=150℃，Sl=175℃.

3 高溫儲(chǔ)存和接觸電阻實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

混合集成電路中Al/Au鍵合系統(tǒng)的退化機(jī)理與溫度有關(guān)，選取單一溫度應(yīng)力實(shí)驗(yàn)來研究它的失效機(jī)理，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要使用高溫箱. 選取兩組實(shí)驗(yàn)樣品，分別在兩個(gè)高溫箱中高溫烘烤. 其中一組樣品在125℃高溫箱中烘烤436 h，另一組樣品在175℃高溫箱中烘烤192 h. 并在此過程中定期測(cè)量樣品電阻的變化.

為評(píng)價(jià)混合集成電路中Al/Au鍵合系統(tǒng)的壽命，選取10只樣品，編號(hào)分別＃1-1、＃1-2、…、＃1-10，在125℃恒定溫度應(yīng)力下實(shí)驗(yàn)；選取8只樣品，編號(hào)分別為＃2-1、＃2-2、…、＃2-8，在150℃恒定溫度應(yīng)力下實(shí)驗(yàn)；選取10只樣品，編號(hào)分別為＃3-1、＃3-2、…、＃3-10，在175℃恒定溫度應(yīng)力下實(shí)驗(yàn).

在做高溫儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)的過程中，必須對(duì)樣品電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，通過電阻的變化來表征它的退化規(guī)律.觀察可知，當(dāng)樣品的電阻變化率達(dá)到20%后，它的退化速率大大加快. 如樣品＃1-7(125℃)、＃2-8(150℃)、＃3-7(175℃)，它們的電阻變化率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5—7所示

圖5 實(shí)驗(yàn)樣品＃1-7電阻變化率隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖6實(shí)驗(yàn)樣品＃2-8電阻變化率隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖7 實(shí)驗(yàn)樣品＃3-7電阻變化率隨時(shí)間的變化規(guī)律

綜上所述，關(guān)于混合集成電路中粗鋁絲與厚膜金導(dǎo)體所形成的Al/Au鍵合系統(tǒng)的退化規(guī)律，當(dāng)電阻變化率達(dá)到20%后，它的退化速率大大加快，個(gè)別樣品電阻變化率甚至出現(xiàn)突變，這為我們?cè)u(píng)價(jià)其壽命失效判據(jù)的選擇提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

4 結(jié)論

針對(duì)混合集成電路中粗鋁絲與厚膜金導(dǎo)體所形成的Al/Au鍵合系統(tǒng)，通過高溫儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)、接觸電阻實(shí)驗(yàn)，選擇Arrhenius模型來評(píng)價(jià)Al/Au鍵合系統(tǒng)的壽命，同時(shí)選擇125℃、150℃、175℃作為加速應(yīng)力. 得到以下結(jié)論：

1) 在125℃、150℃、175℃三種加速溫度應(yīng)力條件下樣品電阻的變化率隨高溫儲(chǔ)存時(shí)間線性增加，但當(dāng)Al/Au系統(tǒng)的互連接觸電阻變化率達(dá)到20%后，電阻的變化率即退化速率顯著增加，因此可以把電阻變化率達(dá)到20%作為鍵合退化的失效判據(jù).

2) 在恒定溫度應(yīng)力下，Al/Au鍵合系統(tǒng)的退化主要表現(xiàn)為接觸電阻增加，鍵合強(qiáng)度下降，這是因?yàn)橄鄳?yīng)的鍵合系統(tǒng)的電阻率比純金屬系統(tǒng)大得多.

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DOE for Reliability of Gold-Aluminum Bonding in HIC

CHANG Xing-ping
(Physics & Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangyang 441053, China)

Based on the reliability of the Al/Au bonding system, it proposed a experiment scheme with the acceleration stress of 150℃. It shows that the rate of change increases with the increase of time variation under high temperature storage. When the rate of change of interconnection contact resistance in Al/Au system achieved 20%, the rate of change of the resistance increased obviously; Under the constant temperature stress, the contact resistance increased and the linkage intensity dropped.

Hybrid integrated circuits(HIC)；Al/Au bonding；Life assessment；Accelerated test

TN4

A

1009-2854(2011)08-0036-05

2011-04-11；

2011-06-25

暢興平(1977— ), 女, 湖北棗陽人, 襄樊學(xué)院物理與電子工程學(xué)院講師.

饒 超)