混合集成電路中金鋁鍵合可靠性的實驗設計

暢興平

(襄樊學院 物理與電子工程學院，湖北 襄陽 441053)

混合集成電路中金鋁鍵合可靠性的實驗設計

暢興平

(襄樊學院 物理與電子工程學院，湖北 襄陽 441053)

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

混合集成電路；Al/Au鍵合；壽命評價；加速實驗

大規(guī)模的集成電路在信息技術及其他現(xiàn)代技術領域有著非常重要的應用，尤其是在汽車電子、醫(yī)用電子器件、雷達系統(tǒng)、導航和控制系統(tǒng)、高速計算機以及通信系統(tǒng)領域中有著很廣泛的應用. 隨著大規(guī)模集成電路的廣泛應用，人們對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，它與厚膜金導體采用楔形焊的形式焊接形成Al/Au系統(tǒng)，而在溫度應力下，Al/Au接觸所形成金屬間化合物，造成接觸電阻增加，鍵合強度下降，增加電路損耗，嚴重時會造成鍵合界面斷裂，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體的鍵合可靠性對大功率模塊，特別是電源模塊，具有重要的研究意義.

1 實驗設計的理論依據(jù)

為評價、分析電子元器件的可靠性而進行的實驗稱為電子元器件可靠性實驗，其目的是考核電子元器件在存儲、運輸、使用等情況下的可靠性. 這就要求實驗時對受試樣品施加一定的應力，諸如溫度應力、電氣應力、氣候應力和機械應力等. 實驗目的是要看在這些應力的作用下，電子元器件反應出的性能是否穩(wěn)定，其結(jié)構狀態(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 實驗設計方案

采用加速壽命實驗，所謂加速壽命實驗就是用加大應力的方法促使樣品在短時期內(nèi)失效，從而預測電子產(chǎn)品在正常儲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).

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

圖1 步進應力加速壽命實驗

圖2 續(xù)進應力加速壽命實驗

要評價 Al/Au鍵合系統(tǒng)的壽命，必須選擇合適的模型. 加速壽命實驗的常用模型有阿列尼烏斯(Arrhenius)模型、愛倫模型及以電應力為加速變量的加速模型[4]. 基于Al/Au鍵合系統(tǒng)的失效機理，由于鍵合結(jié)構退化直觀表現(xiàn)為接觸電阻增加，鍵合強度下降[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)等的物理化學變化造成的. 這些變化過程與溫度有密切的關系，當溫度升高以后，這些物理變化過程大大加快，器件的失效過程被加速，這就是加速壽命實驗的理論依據(jù). 這里選用Arrhenius模型來評價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系，其關系式如下[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壘，勢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

如果設時間為t0時產(chǎn)品處于正常狀態(tài)(實驗開始時的狀態(tài))，記為M0；時間為t1時，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與時間t無關，則可得

設產(chǎn)品存在溫度 T1和 T2兩個條件(T2> T1)，分別代入式(2)，得，則可得，求出了b，便可以計算E和a：

由式(3)可以看出，不同的F0值，對應于不同的a值. 斜率b和激活能E只與元器件的失效模式和失效機理有關，而不同類型的元器件因失效模式和失效機可能不同，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)就可預測T與t的關系.

確定失效模式的激活能E之后，就可以求得加速系數(shù)τ. 設在高溫T1下進行加速壽命實驗時，對應累計失效概率的加速失效時間為t1( F0)；而在正常溫度 T0(即基準應力條件)下進行壽命實驗時，對應同樣累計失效概率的正常失效時間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力水平就能計算出激活能，預測產(chǎn)品的壽命. 但為了通過加速壽命實驗能準確地推算出正常應力條件下的壽命特征，通常要同時進行幾個等級應力水平的實驗，這叫做加速變量的水平數(shù). 將加速變量記做S，假設都是正值，其水平記做S1，S2，…，Sl，按由小到大的次序排列. 對于恒定應力加速壽命實驗，最好l≥4，不得小于3，少了得不到準確的結(jié)果. 但也不宜過多，否則耗費大、耗時多.

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

整個恒定加速應力加速壽命實驗由幾次實驗組成，是由加速變量的水平數(shù)l決定的，而各次實驗都要有自己的實驗樣品. 在恒定應力加速壽命實驗中，每次實驗樣品個數(shù)，通?？扇∠嗟鹊膫€數(shù). 如果不相當，至少要保證n1和nl是最多樣品個數(shù)，同時，要確保任何一次實驗的樣品個數(shù)ni都不應少于5個，否則會影響統(tǒng)計分析的精確度.

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℃作為最低的加速應力，S1=125℃. 同時，參考文獻[4,7-9]，結(jié)合樣品自身的實際情況，選擇175℃作為最高的加速應力，即Sl=175℃. 因此，即S2=145℃. 但基于文獻[8, 10, 11, 12]均選擇150℃作為加速應力，因此取S2=150℃.

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

3 高溫儲存和接觸電阻實驗及結(jié)果

混合集成電路中Al/Au鍵合系統(tǒng)的退化機理與溫度有關，選取單一溫度應力實驗來研究它的失效機理，實驗設備主要使用高溫箱. 選取兩組實驗樣品，分別在兩個高溫箱中高溫烘烤. 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量樣品電阻的變化.

為評價混合集成電路中Al/Au鍵合系統(tǒng)的壽命，選取10只樣品，編號分別＃1-1、＃1-2、…、＃1-10，在125℃恒定溫度應力下實驗；選取8只樣品，編號分別為＃2-1、＃2-2、…、＃2-8，在150℃恒定溫度應力下實驗；選取10只樣品，編號分別為＃3-1、＃3-2、…、＃3-10，在175℃恒定溫度應力下實驗.

在做高溫儲存實驗的過程中，必須對樣品電阻進行實時的監(jiān)測，通過電阻的變化來表征它的退化規(guī)律.觀察可知，當樣品的電阻變化率達到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間的變化規(guī)律如圖5—7所示

圖5 實驗樣品＃1-7電阻變化率隨時間的變化規(guī)律

圖6實驗樣品＃2-8電阻變化率隨時間的變化規(guī)律

圖7 實驗樣品＃3-7電阻變化率隨時間的變化規(guī)律

綜上所述，關于混合集成電路中粗鋁絲與厚膜金導體所形成的Al/Au鍵合系統(tǒng)的退化規(guī)律，當電阻變化率達到20%后，它的退化速率大大加快，個別樣品電阻變化率甚至出現(xiàn)突變，這為我們評價其壽命失效判據(jù)的選擇提供了實驗基礎.

4 結(jié)論

針對混合集成電路中粗鋁絲與厚膜金導體所形成的Al/Au鍵合系統(tǒng)，通過高溫儲存實驗、接觸電阻實驗，選擇Arrhenius模型來評價Al/Au鍵合系統(tǒng)的壽命，同時選擇125℃、150℃、175℃作為加速應力. 得到以下結(jié)論：

1) 在125℃、150℃、175℃三種加速溫度應力條件下樣品電阻的變化率隨高溫儲存時間線性增加，但當Al/Au系統(tǒng)的互連接觸電阻變化率達到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到20%作為鍵合退化的失效判據(jù).

2) 在恒定溫度應力下，Al/Au鍵合系統(tǒng)的退化主要表現(xiàn)為接觸電阻增加，鍵合強度下降，這是因為相應的鍵合系統(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, 襄樊學院物理與電子工程學院講師.

饒 超)