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微电子封装及微连接技术 第五章 封装的可靠性及缺陷 1 第五章 封装的可靠性和质量 第一节 封装的失效机理 扩散 化学失效 热失配与热疲劳 第二节 封装互连缺陷 第三节 质量检测方法 王春青，微连接研究室，0451wangcq@， 2 第一节 封装的失效机理 扩散 化学失效 热失配与热疲劳 3 一、扩散引起的失效-铝钉 铝钉缺陷 铝互连线穿透SiO2阻挡层并深入到硅片内部，使PN结失效 450°C热处理时，硅在铝中的固溶度为0.5%；525°C，1% 一旦硅熔入铝中，会沿铝的晶界快速扩散，离开接触面 铝填充硅离开留下的空洞，形成铝钉 解决办法 以含少量硅的Al/Si(1~2%)合金代替纯铝，降低硅的扩散渗入 可以完全防止铝钉的出现 问题 当温度降低时，铝中的硅会析出形成硅原子团 硅原子团的直径约1.5µm，对于极细的布线接近其横截面 电流流过时局部升温导致失效 王春青，微连接研究室，0451wangcq@， 4 铝钉的形成过程 当铝与硅直接接触时， 由于硅在铝中有很大的 扩散速度(通过晶界扩 散)，铝布线又相当于庞 大的吸收体，在硅中形 成空洞。铝填充此空洞 便形成铝钉。 王春青，微连接研究室，0451wangcq@， 5 铝硅合金相图 王春青，微连接研究室，0451wangcq@， 6 扩散引起的失效- 电迁移 电迁移效应 在电场作用下金属原子沿电场方向产生宏观的移动 在某点上若原子流量的散度不为零，则产生净流动 布线上金属原子消耗的地方产生开路，积累的地方产生晶须 Al ∆P 原子电迁移模型： 在晶粒会合之处产生材料的净流动， 电子与晶格原子之间的动量转移 结果会产生空洞 王春青，微连接研究室，0451wangcq@， 7 电迁移引起的失效评估及防止措施 布莱克公式 −n −EA  MTF AJ exp kT  MTF：平均失效时间；J ：电流密度；n：系数，约为2 EA ：激活能；A ：常数。 解决方法 加入1~4%的Cu，可有效降低铝晶界扩散速度，提高激活能 以铜作为互连金属：铜芯片技术 铜的电阻率比铝低 抗电迁移能力强，约为AlCu 的10倍 但尚缺乏铜的刻蚀工艺。采