电过应力EOS
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微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 6
P－N结的功率阈值(2)
最大允许功率PF与脉冲 宽度关系 tf ： 1. PF tf-1 绝热区 2. PF tf-1/2 不完全绝 热 3. PF const 等功率 区
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
7
Wunsch-Bell 公式
1968年Wunsch-Bell从一维线性热流动模型, 推导出平均功率密度，温度与时间的关系： Pav=(Cp)1/2(TmT0) t-1/2 以硅的熔点Tm=1415C,可计算硅器件Pav 与脉冲宽度间的关系 二极管Pav＝560 t-1/2 三极管Pav＝310 t -1/2 平均Pav＝480 t -1/2 Pav的单位是KW/cm2, 时间t的单位是s .
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 20
二次击穿的机理
正偏二次击穿： 热不稳定性模型 反偏二次击穿 基区夹紧效应
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
21
NMOS 的二次击穿
NMOS 的二次击穿 是一种寄生三极管效应 。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
22
安全工作区
考虑了晶体管的最大工 作电流、最大耗散功率， 击穿电压和二次击穿 后， 器件的工作区域 定义为 安全工作区。 安全工作区的等功率线 和二次击穿线的位置 是与工作脉冲宽度有 关的 函数。
微电子器件的可靠性 Microelectronics Reliability
第十一章 电过应力 （EOS )
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
1
引
言
电过应力是引起器件失效的主要失效机理之一。 某空间计算机的失效器件中，有60－70％ 是 电过应力引起的。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
2
1988年美国军用装备现场失效的 微电子器件失效分布
22000 15200
3020500 000 30000 20500 15000 10500 9000 6300
15
Cu
Ag 其它
复旦大学材料科学系
晶体管的击穿特性
晶 体 管 的 击 穿 电 压 有 以 下 几 种： 1. 发射极开路，集电极－ 基极击穿电压 BVCBO； 2. 集电极开路，发射极－ 基极击穿电压 BVEBO； 3. 基极开路， 集电极－发射极击穿电压 BVCEO； 4. 基极接地， 集电极－发射极击穿电压 BVCES ； 5. 发射极－基极反偏，集电极－发射极击穿电压 BVCEX； 6. 发射极－基极间接电阻R时，集电极－发射极击穿 电 压 BVCER。 BVCBO BVCES BVCER BVCEX BVCEO
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
23
安全工作区
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
24
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
16
晶体管的击穿特性曲线
在BVCBO 和 BVCEO 关系： BVCBO＝BVCEO/(1+HFE)1/n
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
17
二次击穿
二次击穿现象： 在晶体管的集电结处于反偏状 态下，继续增加电压，当到达 一定的电压、电流时，集电极 电压突然减小，降低到很低的 数值，结的动态电阻很小。 发生二次击穿后，若 外电路 没有限流的情况下，电流会很 大，导致器件因过热而损坏。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
14
金属内引线的阈值
美国军用标准 MIL－PRF－38535E 规定 直流恒定电流下，最大 电流I与其直径d的关系 I＝kd2/3, 其中k是常数(与材料种 类、引线长度L有关)。 D 的单位是米。
微电子器件的可靠性
材料
K
L 0.1cm
值
L 0.1cm
Al
Au
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
5
P－N结的功率阈值(1)
1.在单个脉冲功率下，将器件中有电流流
过的区域定义在(a.b.c.)区域内。脉冲电 流从表面ab平面流向内部。在开始时器 件温度为T0，该区域温度的变化可通过 热流方程来描述。 Cp(T/t)= H +(kT) 2.若器件最高允许温度TM是确定的，从解 微分方程式，就可得到不同脉冲宽度下， 器件的允许功率。
微电子器件的可靠性
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18
二次击穿
二次击穿分为： 正偏二次击穿 负偏二次击穿。
微电子器件的可靠性
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19
二次击穿的过程
1。P－N 结发生击穿； 2。P－N结电压由高压 区转移到低压区，该 低电压点称为维持电压； 3。电流以低的动态电 阻迅速增加； 4。器件因过电流、高 温而烧毁。
out
0.0014 0.105. 0.0743 0.0139
0.815 0.643 0.600 0.712
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
9
二氧化硅薄膜的阈值
二氧化硅薄膜因热导率很低，会发生过热 而熔化，发生失效。 损坏能量E与脉冲宽度tD间的关系为： tD＝2REln(VD/VBD)/(VV) 外加电压VD， 薄膜击穿电压VBD， 串联电阻 R，
12
金属内引线的阈值
器件的内引线的散热途径有： 从两端键合点通过管座、内引线通过周围的空气或 塑封料散热。 因两端键合点的散热能力较强，当电流通过引线时, 两端键合点温度最低，而引线中央温度最高。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
13
金属内引线的阈值
内引线的熔融电路与金属丝的直径、丝的长度 等有关。
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 8
集成电路的Pav
电路类型 集成电路的 TTL input Pav与脉冲宽度 output 间的关系可写为： Pav＝ AtB MOS input （A，B为常数） output 各种不同的器件 power 常数A，B也不同。 Liear inout A B 0.00216 0.089 0.00359 0.722 0.0546 4.483
失效原因
IC设计，制造，装配 EOS ESD阈 EOS\ESD
占百分率％
25 46 6 5
重测合格
17
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
3
电过应力失效的类别
过热引起的烧毁、 晶体管的二次击穿（Second Breakdown SB） CMOS的闩锁效应(Latch-up) 静电放电(Electeo-Static Dicharge)
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
4
微电子器件的功率阈值
1。 器件的温度达到半导体材料的本征激发温度
时，半导体材料发生本征激发，载流子数量激 增，器件失去它的正常性能。 2。温度达到金属化铝的熔点时会引起铝膜的熔 化、断裂 。 3。为保持微电子器件的性能正常，器件的温度 有它的极限，从功率来说，就有它的功率阈值。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
10
金属化的阈值
按Wunsch的估计为 P t－1 ~ t －1/2 P t －1/2 ~ t0
t ~ 1ms t ~100ms
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
11
金属化的阈值
Al,Al-Si金属化最大脉冲电流与金属化厚度的关系
微电子器件的可靠性
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P－N结的功率阈值(2)
最大允许功率PF与脉冲 宽度关系 tf ： 1. PF tf-1 绝热区 2. PF tf-1/2 不完全绝 热 3. PF const 等功率 区
微电子器件的可靠性
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7
Wunsch-Bell 公式
1968年Wunsch-Bell从一维线性热流动模型, 推导出平均功率密度，温度与时间的关系： Pav=(Cp)1/2(TmT0) t-1/2 以硅的熔点Tm=1415C,可计算硅器件Pav 与脉冲宽度间的关系 二极管Pav＝560 t-1/2 三极管Pav＝310 t -1/2 平均Pav＝480 t -1/2 Pav的单位是KW/cm2, 时间t的单位是s .
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 20
二次击穿的机理
正偏二次击穿： 热不稳定性模型 反偏二次击穿 基区夹紧效应
微电子器件的可靠性
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21
NMOS 的二次击穿
NMOS 的二次击穿 是一种寄生三极管效应 。
微电子器件的可靠性
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22
安全工作区
考虑了晶体管的最大工 作电流、最大耗散功率， 击穿电压和二次击穿 后， 器件的工作区域 定义为 安全工作区。 安全工作区的等功率线 和二次击穿线的位置 是与工作脉冲宽度有 关的 函数。
微电子器件的可靠性 Microelectronics Reliability
第十一章 电过应力 （EOS )
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
1
引
言
电过应力是引起器件失效的主要失效机理之一。 某空间计算机的失效器件中，有60－70％ 是 电过应力引起的。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
2
1988年美国军用装备现场失效的 微电子器件失效分布
22000 15200
3020500 000 30000 20500 15000 10500 9000 6300
15
Cu
Ag 其它
复旦大学材料科学系
晶体管的击穿特性
晶 体 管 的 击 穿 电 压 有 以 下 几 种： 1. 发射极开路，集电极－ 基极击穿电压 BVCBO； 2. 集电极开路，发射极－ 基极击穿电压 BVEBO； 3. 基极开路， 集电极－发射极击穿电压 BVCEO； 4. 基极接地， 集电极－发射极击穿电压 BVCES ； 5. 发射极－基极反偏，集电极－发射极击穿电压 BVCEX； 6. 发射极－基极间接电阻R时，集电极－发射极击穿 电 压 BVCER。 BVCBO BVCES BVCER BVCEX BVCEO
微电子器件的可靠性
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23
安全工作区
微电子器件的可靠性
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24
微电子器件的可靠性
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16
晶体管的击穿特性曲线
在BVCBO 和 BVCEO 关系： BVCBO＝BVCEO/(1+HFE)1/n
微电子器件的可靠性
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17
二次击穿
二次击穿现象： 在晶体管的集电结处于反偏状 态下，继续增加电压，当到达 一定的电压、电流时，集电极 电压突然减小，降低到很低的 数值，结的动态电阻很小。 发生二次击穿后，若 外电路 没有限流的情况下，电流会很 大，导致器件因过热而损坏。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
14
金属内引线的阈值
美国军用标准 MIL－PRF－38535E 规定 直流恒定电流下，最大 电流I与其直径d的关系 I＝kd2/3, 其中k是常数(与材料种 类、引线长度L有关)。 D 的单位是米。
微电子器件的可靠性
材料
K
L 0.1cm
值
L 0.1cm
Al
Au
微电子器件的可靠性
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5
P－N结的功率阈值(1)
1.在单个脉冲功率下，将器件中有电流流
过的区域定义在(a.b.c.)区域内。脉冲电 流从表面ab平面流向内部。在开始时器 件温度为T0，该区域温度的变化可通过 热流方程来描述。 Cp(T/t)= H +(kT) 2.若器件最高允许温度TM是确定的，从解 微分方程式，就可得到不同脉冲宽度下， 器件的允许功率。
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18
二次击穿
二次击穿分为： 正偏二次击穿 负偏二次击穿。
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19
二次击穿的过程
1。P－N 结发生击穿； 2。P－N结电压由高压 区转移到低压区，该 低电压点称为维持电压； 3。电流以低的动态电 阻迅速增加； 4。器件因过电流、高 温而烧毁。
out
0.0014 0.105. 0.0743 0.0139
0.815 0.643 0.600 0.712
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9
二氧化硅薄膜的阈值
二氧化硅薄膜因热导率很低，会发生过热 而熔化，发生失效。 损坏能量E与脉冲宽度tD间的关系为： tD＝2REln(VD/VBD)/(VV) 外加电压VD， 薄膜击穿电压VBD， 串联电阻 R，
12
金属内引线的阈值
器件的内引线的散热途径有： 从两端键合点通过管座、内引线通过周围的空气或 塑封料散热。 因两端键合点的散热能力较强，当电流通过引线时, 两端键合点温度最低，而引线中央温度最高。
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13
金属内引线的阈值
内引线的熔融电路与金属丝的直径、丝的长度 等有关。
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 8
集成电路的Pav
电路类型 集成电路的 TTL input Pav与脉冲宽度 output 间的关系可写为： Pav＝ AtB MOS input （A，B为常数） output 各种不同的器件 power 常数A，B也不同。 Liear inout A B 0.00216 0.089 0.00359 0.722 0.0546 4.483
失效原因
IC设计，制造，装配 EOS ESD阈 EOS\ESD
占百分率％
25 46 6 5
重测合格
17
微电子器件的可靠性
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3
电过应力失效的类别
过热引起的烧毁、 晶体管的二次击穿（Second Breakdown SB） CMOS的闩锁效应(Latch-up) 静电放电(Electeo-Static Dicharge)
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
4
微电子器件的功率阈值
1。 器件的温度达到半导体材料的本征激发温度
时，半导体材料发生本征激发，载流子数量激 增，器件失去它的正常性能。 2。温度达到金属化铝的熔点时会引起铝膜的熔 化、断裂 。 3。为保持微电子器件的性能正常，器件的温度 有它的极限，从功率来说，就有它的功率阈值。
微电子器件的可靠性
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10
金属化的阈值
按Wunsch的估计为 P t－1 ~ t －1/2 P t －1/2 ~ t0
t ~ 1ms t ~100ms
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11
金属化的阈值
Al,Al-Si金属化最大脉冲电流与金属化厚度的关系
微电子器件的可靠性
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