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集成电路技术讲座

第十三讲集成电路可靠性Reliability

集成电路可靠性一可靠性概念和表征方法二失效规律浴盆曲线三硅片级可靠性设计和测试四老化筛选和可靠性试验五失效模式和失效分析

一可靠性概念和表征方法

可靠性概念和表征方法集成电路的可靠性是指集成电路在预期寿命内;在规定的条件下正常工作的概率即集成电路能正常使用多长时间UnreliabilityFt=r/nn总样品数r失效数ReliabilityRt=nr/nFailureDensityft=ft;t+?t=?r/nFailureRate?t=?t;t+?t=?r/nr

可靠性概念和表征方法?平均失效率Failurerate用于常数失效区Fr=Nf/NdtNf失效数Ndt器件数和试验小时数乘积?FITFailureInTime=Fr*1091小时内每109个10亿器件中有一个器件失效时;称为1FITppb;或1000小时内每106个100万器件中有一个器件失效时;称为1FIT?平均失效时间MTTFMeanTimetoFailure=1/Fr

与失效速率有关的函数在给定时间间隔dt中失效的总数分数可用函数ftdt表示;ft为失效速率;累积失效数目是该函数对时间的积分;即为累积失效函数可靠性函数定义为在时间为t时仍未失效的总数分数

失效函数的描述正态分布ft=1/2??05Exp1/2t?/?2Ft=1/2??05tExp05t?/?2dtWebull分布Ft=1et/???为器件的特征寿命?为形状函数

塑封器件现场统计失效率例

FIT器件类型应用环境地面民用飞机汽车线性IC35432数字SSI/MSI0971011存储器;微处理器231413美国可靠性分析中心90年代

器件失效对系统性能的影响Dataset:150to225ICsfailurerateFITmeantimetofailureyearpercentofsetsfailingpermonth105101610051610000516

二失效规律浴盆曲线

浴盆曲线EarlyLifeFailure早期失效期UsefulLife偶然失效期Wearout耗损失效期时间失效速率

早期失效期器件的早期失效速率很快;且随时间迅速变小;早期失效原因主要是由于设计和制造工艺上的缺陷引起例如：氧化物针孔引起栅击穿;压焊不牢引起开路通过加强制造过程质量管理来减少早期失效老化筛选可以帮助剔除这些早期失效产品

有用寿命期随机失效期浴盆曲线中第二个区域特点是失效速率低且稳定;几乎是常数;该区域的长短则决定了器件的使用寿命影响此寿命的因素有温度;湿度;电场等最大因素是芯片温度失效机理有如：潮气渗入钝化层引起金属锈蚀；金属间化合物生长引起的疲劳失效；潮气沿界面渗入引起封装开裂等该段时间也是产品在客户手中使用和系统的预期寿命;在该范围内的失效速率与系统失效紧密相关

耗损失效期在曲线的最后区域;失效速率急剧上升;意味着封装器件达到了预期寿命;诸如开裂和过度的应力不可能对该区域有重大影响;因为这些问题造成的失效应更早出现引起该失效的最典型的原因是较慢锈蚀过程的累积效应失效速率开始快速上升的时间应该超过系统的预期寿命;以保证消费者的质量要求

三硅片级可靠性设计和测试

硅片级可靠性工艺可靠性产品可靠性取决于设计;工艺和封装相同设计规则;相同工艺和封装的不同产品应有相同的可靠性水平可靠性要从源头设计抓起可靠性是内在质量;是靠‘做’出来的;不是靠‘测’出来的

可靠性设计电路设计的可靠性考虑器件和版图结构设计的可靠性考虑工艺设计的可靠性考虑

可靠性设计

电路设计时的考虑尽量减少接触点数目和芯片面积尽量减少电流和功耗;pn结温提高电路冗余度如增加放大级数;减少每级的增益;对逻辑电路;要使噪声容限和扇出数留有余量采用输入保护措施

可靠性设计

器件和版图结构设计时的考虑沟道长度设计要考虑热电子问题铝布线的电流密度应在106A/cm2以下;以防止断线和电迁移元件布局;应将容易受温度影响的元件;远离发热元件在必须匹配的电路中;应将相关元件并排或对称排列版图上防止Latchup的措施芯片边缘和划片道的设计

可靠性设计

工艺设计时的考虑氧化膜中的可动离子氧化膜TDDB水平选择表面钝化膜;防止灰尘和水汽等原因造成的退化SiO2;PSG;Si3N4;Polymide

硅片级可靠性测试TDDB测试电迁移测试热载流子测试

TDDB直接评估介质电学特性;硅