第07章厚膜电路的失效机理

第七章厚/薄膜集成电路失效机理
厚/薄膜集成电路是一种非常重要的微电子器件。

它是将厚/薄膜集成电路技术制造的无源元件与半导体技术制造的有源器件（包括半导体集成电路芯片）采用灵活的组装技术组装在绝缘基片上所形成的集成电路，因此又称为混合集成电路。

其中，“二次集成电路”的混合集成电路发展较快，它主要是在作有厚膜或薄膜无源网络的绝缘基片上，组装上多个半导体集成电路芯片所形成的混合集成电路。

在这类电路中，膜集成电路技术通常是制作精细的互连线/交叉线和多层布线，以及某些无源元件，然后组装上半导体集成电路芯片，形成规模更大的/功能更为复杂的混合集成电路。

厚薄膜集成电路的失效不仅有硅芯片失效，而且还包括厚/薄膜元件/互连导带/组装和封装的失效模式和失效机理。

硅芯片的失效模式和机理在有关章节中已经介绍，不再重复，本章仅介绍厚/薄膜集成电路的失效模式和机理。

1* 薄膜集成电路的失效模式和机理
目前，对薄膜集成电路的失效分析表明，外贴硅芯片的失效约占50%---70%，薄膜电容失效约占10---20%，薄膜电阻失效约占10%，焊接不良占10---20%，断腿失效约占5%。

一．薄膜电阻器的失效
薄膜电阻材料中用得最广的是电阻率为100---300的镍铬合金和镍铬合金和氧化
钽。

薄膜电阻器失效的原因是：
1．温度/湿度效应。

空气中的氧可使镍铬系薄膜氧化，电阻值增大。

环境温度和电阻器本身的温升可促使氧化加速进行。

空气中的氧化扩散到钽膜晶粒间界中时，沿膜厚方向存在着氧浓度梯度。

这使钽膜老化的最大原因，温度可加速氧化过程。

如果再加上湿度，不但使表面氧的浓度增加促进氧扩散，而且还会引起电化学反应使电阻膜被腐蚀。

特别在电负荷下，温度/湿度效应更加严重。

2．针孔和工艺缺陷。

电阻膜中难免存在针孔其产生的原因与电介质膜相同。

电阻膜有效面积减小，电流密度增大并且分布不均匀，因而引起局部温度过高，严重时可使电阻膜局部烧毁而导致电阻器失效。

3．基片内Na/K离子的影响。

如果在基片材料中或表面上存在碱性离子，如Na/K等离子。

在电场作用下就会在负极附近析出，使电阻膜受腐蚀，引起电阻值变化甚至电阻器开路。

工艺卫生条件不良造成污染/工艺过程中所用腐蚀液等清洗的不干净也会引起类似的电阻器失效。

二．薄膜电容器的失效
目前在薄膜集成电路中应用最广泛的是氧化硅（SiO）薄膜电容器。

其次是五氧化二钽（Ta2O5）和二氧化硅（SiO2）薄膜电容器。

SiO薄膜电容器失效的主要原因有以下几方面：1．电介质膜中的针孔/气泡/杂质和尘埃引起的失效。

在SiO电介质膜的制作过程中要完全消除针孔和气泡是极困难的，针孔分为穿透孔和非穿透孔，气泡则位于膜层内部。

它们都会引起其附近的局部电场畸变和电场集中，结果在针孔或气泡处首先造成电击穿，严重时导致电容器失效。

电介质中存在杂质和尘埃也会造成类似的恶果。

2．电化学固相反应。

在Al---SiO---Al电容器中，在外加电场的作用下，局部击穿过程表现在SiO电介质内部发生如下电化学固相反应：
Si---O---Si 局部击穿电场Si---Si---+O+e
此反应说明，在局部击穿电场的作用下，使Si—O—Si基团游离出一个硅离子，并释放出一个电子和一个自由氧原子，注入到周围电介质中，由于电子注入到电介质的导带上，在外电场的作用下参加导电，从而破坏了介质的绝缘性能，最后导致电介质击穿。

同时，在破坏性的击穿发生之后，击穿区周围出现单晶硅和游离硅（Si+），它们都具有半导体特性，也会使SiO电介质绝缘性能下降以及在电场作用下导致电容器失效。

3．SiO2的吸潮效应。

对真空淀积SiO薄膜的结构分析表明，膜中存在着
SiO/Si2O3/SiO2/H2O和CO2。

Si2O3容易吸附气体和水分，造成SiO膜的绝缘电阻下降和击穿电压下降，并可使电容器的电容量发生变化。

在低真空度下蒸发所得的膜中含有较多的Si2O3和H2O，此外，如果电容器上电极金属薄膜与电介质薄膜之间附着不良，湿气会沿着电极与电介质的交界面进入，使电介质吸潮引起电性能恶化。

4．“台阶”效应。

在薄膜电容器下电极边缘“台阶”处电场发生畸变（边缘效应），而且在“台阶”处电介质膜厚变薄，因此容易在下电极“台阶”处引起电介质击穿，使上/下电极短路。

铝电极膜极博（上电极厚约0.3um，下电极厚约0.15um），当受到电压冲击发生击穿时，短路电流的强度足可使上电极膜层在击穿烧熔蒸发而断开，造成电容器断路。

5．膜层中存在内应力。

真空淀积的电子元件，在形成温度之外的其它温度条件下，薄膜受到两种基本应力的作用：一是由于工艺缺陷在成膜过程中产生的内应力，这种应力与薄膜结构有关，二是由于膜层与基片之间（或相邻膜层之间）热膨胀系数不同而产生热应力。

大多数金属淀积在玻璃基片上呈现为张应力（Fth为正值）如银/金/镍等；而在玻璃基片上的SiO/TiO2等呈现出压应力。

这两种应力之一都可能破坏薄膜的电性能。

SiO电介质膜中若存在这种应力，可使膜起邹/开裂甚至脱落，因而使电容器性能恶化。

这种应力与蒸发源的形式/真空度/蒸发源温度和热处理工艺有关。

三．薄膜导带的失效
薄膜导带的失效主要是导带开路或呈现大的寄生串联电阻和导带之间的短路两类。

这些失效都将造成整个电路功能的失效。

1．金属薄膜的电化学腐蚀。

根据腐蚀过程的特点，金属薄膜腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。

化学腐蚀是金属直接与环境媒质发生化学反应形成金属化合物，从而使金属薄膜损坏的现象。

金属的电化学腐蚀是用微电池作用加以解释的。

电化学腐蚀必须具备下列三个条件才能进行：金属化表面存在不同电极电位的金属（杂质）；这些具备不同电极电位的金属部分要互相接触；这些不同部分的金属要处于互相接通的电介质溶液中。

具备上述三个条件，就能形成微电池的电化学腐蚀过程。

然而微电池的存在根本上是由金属表面的电化学不均匀性（即不同电极电位的部分）引起的。

造成金属薄膜不均匀性原因有：
（1）金属化学成分的不均匀性。

即使金属薄膜导带使用的是高纯材料，但总是存在微量杂质，而且在成膜过程中可能混入其它杂质，它们的电极电位不一样，电极电位低者成为阳极，容易失去电子，遭受腐蚀；而电极电位较高者则成为阴极，只起传递电子作用，不受腐蚀。

（2）金属物理状态的不均匀性。

金属薄膜中往往存在不均匀的内应力，受应力大的部分常为阳极，易受腐蚀。

此外薄膜表面温度的差异等其它因素也会造成各部分电位差异从而形成微电池。

（3）金属组织的不均匀性。

某些金属或合金的晶粒和晶粒间界的电位是不完全相同的。

如工业纯，其晶粒与晶粒间界的平均电位差为0.585-0.494=0.091(V)。

这表明晶粒是阴极，晶粒间界是阳极。

金属薄膜如果不完整，存在针孔/气泡和缺陷也会造成电位差异。

1．当金属薄膜表面上存在上述电化学不均匀性并与电解液接触时，就构成了许多微电池。

金属薄膜作为微电池的阳极不断地失去电子变成金属离子，经过长时间的作用就被腐蚀到失效的程度。

2．金属薄膜的电子迁移。

电迁移是在金属中由于受到电场作用而使金属原子移动的现象。

例如，在通电的铝膜中，当温度梯度存在时，由于电迁移效应将使阳极附近出现铝原子堆积成的小丘或生成触须，而在阴极附近产生空隙。

后者在高温高电流密度作用下，造成局部过热而使铝膜烧断。

研究表明，若金属薄膜表面有缺陷（划痕/针孔等）而使局部电流密
度增高，将使金属因热激而产生金属正离子，金属正离子受到两个相反方向的作用力：一是受电场的作用力，但较弱；二是受到电子流的撞击力，这是主要的。

结果金属离子向阳极方向移动，在阳极附近聚集而生长出小丘或触须。

空位则向阴极方向移动，聚集生成空隙。

除上述空隙造成局部过热使铝膜烧断外，触须会造成相邻导带之间的短路。

3．工艺缺陷。

工艺缺陷主要是指薄膜互连导带图形不完整/线条过细/线条局部过细和边缘不整齐/线条上有针孔/线条之下钻蚀形成潜在的缺陷等，都可能严重影响导带负载电流能力，造成局部过热而烧毁。

相邻线条之间也可能因工艺缺陷造成短路。

互连导带膜层存在内应力或基片表面不清洁造成薄膜起皱/开裂也会使寄生串联电阻增高，甚至导带断开。

薄膜导带交叉，由于“台阶”效应和其它工艺缺陷造成的失效，与薄膜电容器类似。

四．键合系统失效
由于混合集成电路的内部连接比较复杂；一方面是需要互补连接的元器件数目多，它们之间的连接区被严格限定在极小的范围内，被连接的对象又是厚度极薄的薄层；另一方面，连接的类型也十分复杂，它不仅仅限于直接焊接，焊接对象还包括采用真空条件下的蒸发/直流和高频溅射镀膜，以及高温条件下的导电浆料烧结等。

因此，连接材料之间的相互作用是非常复杂的。

由于混合集成电路内部的焊接点多，类型又复杂，因此它对可靠性的影响极大。

有资料报道，由于焊接（键合）不良造成的失效占混合集成电路失效总数的70%。

键合方式包括金键合/固相键合/（超声/热压等）/熔焊/导电胶粘合等。

影响其可靠性的因素较多，下面分别加以叙述。

（一）表面污染
金属表面总是有各种各样的非金属污染层覆盖在上面，这些污染层包括金属氧化物层，硫化物层和氢氧化物层，还有吸附在金属表面的各种气体。

这些表面上的污染层，一般在化学上是比较稳定的。

因此，它们就成为金属之间互相连接的一大障碍。

互连工艺应能除去这些表面污染层并防止它们再生成。

在使用焊料的合金键合中，一般使用助熔剂来防止表面层氧化。

助熔剂的另一个作用是在焊接时使零件表面浸润，以有利于熔融状态的金属焊料在零件表面散布开来。

这样在零件表面就可以淀积一层容易互相连接的金属层（焊料层）。

表面污染层则主要靠机械方法予以消除（也可采用化学方法，但在集成电路焊接中应用甚少）。

固相键合时，要求在连接界面上产生相当大的塑性形变，借用机械作用力来破碎表面的污染层。

例如超声焊就是利用焊头切向振动应力使金属表面污染层破碎并达到金属之间互相连接。

（二）界面接触
在连接时，金属之间互相紧密接触，这种接触的紧密与否，在很大程度上影响金属之间互相连接的可靠性。

一般经过抛光的固体金属表面之间在垂直力的作用下，只有不到1%的表面是“真正”接触到的，因为从原子的规模上来看，不管固体金属表面抛光得如何彻底，它还是相当粗糙的。

这里所说的紧密接触是指能够达到原子间的距离，达到如此境界时，才能在两种金属固体表面产生强大的金属键力，使互连得以实现，并达到可靠（而较弱的次价力作用范围大约为0.1 um）。

因此，界面要牢固地接合，其接触强度应该达到晶粒间的接触强度。

（三）连接的稳定性
影响互连的另一个因素是连接的稳定性，即设法使互连工艺过程中所产生的应力处于最低的状态，金属间的化学反应所生成的化合物应当稳定。

熔融状态的金属重新凝固或者经过冷轧加工都会产生很高的应力，这个应力如不消除，可能导致互连界面产生裂纹，成为互连失效的隐患。

另外，在金属之间还可以生成某些金属间化合物。

例如Au和Al之间在热压
焊时，可能在焊区生成Au2Al化合物（白斑），这样化合物质地脆弱，容易破裂，严重影响互连的可靠性。

由于混合电路的焊点多，焊接时受热时间长，因此金—铝合金的生成比单块电路严重。

金铝合金的失效机理，请参阅第五章的键合失效机理。

（四）膜层的附着力
厚/薄膜混合集成电路的互连，还要受到膜层在基片上的附着力的影响，薄膜混合集成电路更是如此。

2*厚膜集成电路的失效模式和机理
厚膜集成电路中常见的失效模式是参数漂移/键合失效和密封失效，而突变性的失效并不常见。

一．厚膜电阻器的失效
厚膜电阻器的失效大多数是有参数过渡漂移和参数不稳定造成的。

这类失效常常是由以下原因引起的：
1．组成电容器的金属化学组份的变化。

对钯---银电阻器进行温度/耐湿和真空试验。

温度试验中阻值增加主要是由于金属元素钯和银的氧化，在高湿气氛中则主要是由于银的还原和生成PdAg固溶体。

真空试验中的电阻老化变化主要是膜内部的组成变化，其次才是物理和化学吸附的影响。

另外，离子迁移也会造成金属化学组份的变化。

2．化学反应的影响。

主要是焊剂/吸附气体/粘合剂/溶剂和包封材料引起的与厚膜电阻器材料的化学反应。

3．应力影响。

电阻器内应力消失/电阻膜与其保护玻璃釉膜界面上应力消失/灌注树脂硬化时热膨胀和收缩而产生的机械应力等，都将引起电阻器开裂。

4．工艺控制的影响。

喷砂微调粉末散布到电阻器表面上/电阻膜与导带端头未对准/过分微调/导带扩散进电阻膜面而造成热点等都将影响电阻器的稳定性。

5．高压尤其是高压脉冲情况下，大多数厚膜电阻器将产生相当大的阻值变化，这叫厚膜电阻器的电压漂移，是由下列因素造成的：
（1）在导体金属与玻璃之间以及导体金属颗粒之间存在着不完全的浸润。

（2）厚膜电阻可用等效网络表示，在等效网络中，电阻和电容以串联或并联的形式不规则的混联。

若以高于玻璃相击穿电压施加于电阻上，则玻璃相被击穿，电阻导电链数变化引起阻值变化。

6．常用的钯—银电阻器在氢气气氛中参数不稳定。

在制造和使用厚膜混合集成电路的过程中，钯—银电阻器在许多场合要遇到氢：比如在含氢气气氛中键合半导体器件或在含氢或胺的密封封装（如环氧树脂/粘合剂/溶剂/焊剂等）内，电阻器均可遇到氢或放氢产物。

另外，电阻器可能应用在一个封闭的电子系统内，其中由于干电池/潮气与金属反应，制冷剂/湿芯式电容器的渗漏或塑料过热的热分解等均可产生氢。

为了克服氢对钯—银电阻器的影响，目前已经使用无氢化合物催化剂的包封材料或者在电阻器上涂一层玻璃釉加以保护。

二厚膜电容器的失效
厚膜电容器易于发生如下失效：
1．由于电介质破裂而发生开路。

2．由于电介质针孔/击穿或电极表面材料有毛刺而发生短路或绝缘电阻下降。

3．由于喷砂微调/电介质氧化/电介质与电极材料反应/电介质开裂而造成电容量过度漂移。

外贴无封装叠层独石电容器易发生如下失效：
1．独石电容器端头容易失去附着力和键合强度，在锡焊连接中可能形成不希望存在的金属间化合物。

2．可能由于层间脱层或电极间短路而失去电容量。

3．若内部电极外露，可能造成绝缘电阻下降和极间短路。

4．若焊接中使用过多焊料堆积在端头上，当暴露在温度变化的环境中时，独石电容器可能碎裂或脱层。

三．厚膜导带的失效
1．由于印刷导体之前基片清洗不当，在基片表面残留有机材料或烧结周期不正常将造成厚膜导带附着力不良。

2．在锡焊操作中，厚膜导带材料溶解在焊料中以及形成金---铅---锡金属间化合物可能使键合强度严重下降。

3．在组装外贴元件/引出线或管座时，或在使用中由于组装不合理或使用不当也可能造成键合失效。

4．当暴露与高温（150*C）时，覆盖有焊料的厚膜导带会出现失效，出现附着力/电导率下降以及负载电流的能力随时间而下降的现象。

已经发现，焊料的锡浓度越高，金属间就会更多地发生相互作用，并且在加应力之前和之后强度都趋于降低。

实践证明，当用铅锡焊接的钯—金导带作热老练时，会有大量的锡渗入到玻璃釉---导带界面，而在焊料---导带界面留下富铅缺锡的区域。

金属间化合物的高锡含量将使导带层厚度的内膨胀增大。

在这种条件下，附着力逐渐降低。

这种机理已经在使用中为不含锡焊料具有较好的附着力所证实。

当使用含金导带材料或具有镀金引出线的元件时，在焊接中形成金---铅---锡金属间化合物，造成低键合强度的脆性连接。

控制焊接操作/保持键合时间最短/焊接之后减少产品暴露于高温（150*C）的时间/镀金引出线元件在焊上厚膜导带之前预先上锡，均可以减少上述影响。

5．导带氧化/烧结不当/烧结引起玻璃釉堆集或导带层烧结之后的其它烧结引起的恶化都将造成厚膜导带可焊性不良，形成不良键合。

6．含银厚膜导带容易发生银离子迁移，在环境潮湿和外加电场时，银离子通过潮气层迁移，造成间断短路。

银还容易被一般焊料浸析，溶于锡。

四．基片的失效
仅与基片有关的失效模式是开裂造成的突变性失效。

基片的开裂可能是由下列因素造成：如锡焊操作带来的热冲击；基片与封装之间键合不正常；基片与封装材料和粘合剂或包封之间热膨胀系数失配；另外，在清洗操作中，当未从基片表面清除全部有机材料时可能造成厚膜材料对基片的粘接不良。

这就可能造成不牢的键合区和由于连接外贴元件/引出线时因键合脱开而造成失效。

五．半导体器件的失效
除了半导体器件本身固有的失效外，厚膜混合电路还引进了一些新的失效因素。

在混合集成电路中需外贴多个半导体芯片，这就增长了芯片暴露于键合之下的时间。

不同生产批量的芯片和不同工厂生产的芯片均可能安装在同一个基片上。

这样，采用固定的键合条件就可能出现由于芯片金属化层的厚度/表面特性等变化而引起的键合质量问题。

引线越长，与键合线短路和其它因冲击/振动及加速而引起的线键合缺陷的机会就越多。

导带的氧化可能造成芯片键合和线键合失效。

在形成芯片键合时散布有金---硅共熔体的区域上安置线键合可能造成键合不良。

已经发现，用于芯片键合的导电环氧树脂，在温度循环中电阻率有显著的变化。

用于密封或涂覆厚膜混合集成电路上半导体芯片的新材料和工艺，对芯片，芯片键合和线键合的效应，还必须加以全面估计，已经发现，涂覆料在温度循环中的膨胀和收缩会引起线键合的脱开或断线。

失效分析程序
1．失效分析程序（一）
本分析程序为一般分析程序。

一．总结/分析/验证失效数据
对失效器件或电路进行复测，并同正常器件或电路加以比较，证实原始失效数据是否可靠。

调查失效器件或电路的使用环境/使用条件和有关线路以及其它的影响因素等。

如果复测结果与原来数据不符，则应考虑器件特性是否改变，是否出现忽好忽坏现象或者原始失效数据有误。

若怀疑是忽好忽坏现象，则应采用温度循环和监控震动的试验分析方法加以证实。

二．初步电测试
1．阈值测试。

2．管腿之间特性曲线测试。

三．外观检查
四．密封性估计
五．打开管壳
六．芯片镜检
七．探针测试分析
八．显示PN结的横截面
九．整理分析结果。