混合集成电路中金铝键合可靠性的实验设计

畅兴平

(襄樊学院 物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053)

混合集成电路中金铝键合可靠性的实验设计

畅兴平

(襄樊学院 物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053)

针对混合集成电路中粗铝丝与厚膜金导体所形成的Al/Au键合系统的可靠性，提出了样品在加速应力(150℃)条件下的实验方案，得出在125℃、150℃、175℃三种加速温度应力条件下样品电阻的变化率随高温储存时间线性增加，但当Al/Au系统的互连接触电阻变化率达到20%后，电阻的变化率即退化速率显著增加；在恒定温度应力下，Al/Au键合系统的退化主要表现为接触电阻增加，键合强度下降.

混合集成电路；Al/Au键合；寿命评价；加速实验

大规模的集成电路在信息技术及其他现代技术领域有着非常重要的应用，尤其是在汽车电子、医用电子器件、雷达系统、导航和控制系统、高速计算机以及通信系统领域中有着很广泛的应用. 随着大规模集成电路的广泛应用，人们对其可靠性提出越来越高的要求，而金铝键合的可靠性正是影响混合集成电路可靠性的重要因素.

混合集成电路中的大功率芯片，通常采用铝丝(含1%的硅)以楔形焊形式完成功率芯片电极与厚膜金导体的电气互连. 在混合集成电路中，有源器件失效和内引线键合失效分别占模块失效的31.3% 和23.2%[1].在DC/DC变换器中，为适应大电流的要求，VDMOS管电极的连接采用了粗铝丝，它与厚膜金导体采用楔形焊的形式焊接形成Al/Au系统，而在温度应力下，Al/Au接触所形成金属间化合物，造成接触电阻增加，键合强度下降，增加电路损耗，严重时会造成键合界面断裂，影响电源模块性能.

因此，研究混合集成电路中粗铝丝与厚膜金导体的键合可靠性对大功率模块，特别是电源模块，具有重要的研究意义.

1 实验设计的理论依据

为评价、分析电子元器件的可靠性而进行的实验称为电子元器件可靠性实验，其目的是考核电子元器件在存储、运输、使用等情况下的可靠性. 这就要求实验时对受试样品施加一定的应力，诸如温度应力、电气应力、气候应力和机械应力等. 实验目的是要看在这些应力的作用下，电子元器件反应出的性能是否稳定，其结构状态是否完整或是否有所变形，从而判别其产品是否失效[2].

2 实验设计方案

采用加速寿命实验，所谓加速寿命实验就是用加大应力的方法促使样品在短时期内失效，从而预测电子产品在正常储存条件或工作条件下的可靠性. 例如将器件置于比较高的热、电等应力条件下使之加速失效，并从中求出加速系数.

加速寿命实验所加的应力有温度、功率、电压、电流或者振动、冲击、离心加速等应力，常用的实验方法有高温储存、高温工作、超功率工作、高温高湿储存、高温反偏等加速实验. 其中，高温储存加速实验最容易成功，加电功率的加速寿命实验比较困难. 从施加应力方式的不同又可将加速寿命实验的应力分为恒定应力、步进应力和续进应力3种. 其中步进应力加速寿命实验和续进应力加速寿命实验示意图如图1、2所示.[3]

图1 步进应力加速寿命实验

图2 续进应力加速寿命实验

要评价 Al/Au键合系统的寿命，必须选择合适的模型. 加速寿命实验的常用模型有阿列尼乌斯(Arrhenius)模型、爱伦模型及以电应力为加速变量的加速模型[4]. 基于Al/Au键合系统的失效机理，由于键合结构退化直观表现为接触电阻增加，键合强度下降[5]，因此又建立了电阻模型、键合拉力模型[6]、临界厚度模型等. 器件的失效大多是由于器件表面状态的变化和体内金属化系统等的物理化学变化造成的. 这些变化过程与温度有密切的关系，当温度升高以后，这些物理变化过程大大加快，器件的失效过程被加速，这就是加速寿命实验的理论依据. 这里选用Arrhenius模型来评价Al/Au键合系统的寿命.

通常用阿列尼乌斯模型来模拟电子器件失效速度与温度的关系，其关系式如下[7]:

电子元器件由正常状态向失效状态变化的过程中，其间存在着一能量势垒，势垒的高度称为激活能，如图3所示.

图3 元器件状态变化图

图4线性加速曲线

如果设时间为t0时产品处于正常状态(实验开始时的状态)，记为M0；时间为t1时，产品处于失效状态记为，那么，式(1)中就表示产品失效的速率. 若温度T与时间t无关，则可得

设产品存在温度 T1和 T2两个条件(T2> T1)，分别代入式(2)，得，则可得，求出了b，便可以计算E和a：

由式(3)可以看出，不同的F0值，对应于不同的a值. 斜率b和激活能E只与元器件的失效模式和失效机理有关，而不同类型的元器件因失效模式和失效机可能不同，因此其综合激活能就有所不同. 求得b和a之后，根据式(2)就可预测T与t的关系.

确定失效模式的激活能E之后，就可以求得加速系数τ. 设在高温T1下进行加速寿命实验时，对应累计失效概率的加速失效时间为t1( F0)；而在正常温度 T0(即基准应力条件)下进行寿命实验时，对应同样累计失效概率的正常失效时间t0(F0)，则由式(2)可得加速系数

依据Arrhenius模型，理论上讲只需要两组应力水平就能计算出激活能，预测产品的寿命. 但为了通过加速寿命实验能准确地推算出正常应力条件下的寿命特征，通常要同时进行几个等级应力水平的实验，这叫做加速变量的水平数. 将加速变量记做S，假设都是正值，其水平记做S1，S2，…，Sl，按由小到大的次序排列. 对于恒定应力加速寿命实验，最好l≥4，不得小于3，少了得不到准确的结果. 但也不宜过多，否则耗费大、耗时多.

S1的数值应尽量靠近正常条件下的应力水平，这样由其实验结果推算正常条件下的可靠性寿命就越准确. 当然，S1的数值也不能太接近正常应力水平，否则起不到加速实验、节省时间的作用. Sl的数值应尽量高，但是必须保证器件在Sl应力水平下的失效机理与在正常应力水平下的失效机理是相同的，否则，此实验就不是“真实”的加速. S1和Sl确定后，各应力水平的间隔通常可按如下原则选取，取：

整个恒定加速应力加速寿命实验由几次实验组成，是由加速变量的水平数l决定的，而各次实验都要有自己的实验样品. 在恒定应力加速寿命实验中，每次实验样品个数，通常可取相等的个数. 如果不相当，至少要保证n1和nl是最多样品个数，同时，要确保任何一次实验的样品个数ni都不应少于5个，否则会影响统计分析的精确度.

依据 Arrhenius模型的基本理论，选择三组恒定温度作为加速寿命应力，即l=3. 大部分大功率混合集成电路的最高使用温度为125℃[9]. 因此，选择125℃作为最低的加速应力，S1=125℃. 同时，参考文献[4,7-9]，结合样品自身的实际情况，选择175℃作为最高的加速应力，即Sl=175℃. 因此，即S2=145℃. 但基于文献[8, 10, 11, 12]均选择150℃作为加速应力，因此取S2=150℃.

综上所述，为评价混合集成电路中粗铝丝与厚膜金导体所形成的Al/Au键合系统的可靠性，选择了三组温度应力作为加速应力，这三组应力分别为：S1=125℃，S2=150℃，Sl=175℃.

3 高温储存和接触电阻实验及结果

混合集成电路中Al/Au键合系统的退化机理与温度有关，选取单一温度应力实验来研究它的失效机理，实验设备主要使用高温箱. 选取两组实验样品，分别在两个高温箱中高温烘烤. 其中一组样品在125℃高温箱中烘烤436 h，另一组样品在175℃高温箱中烘烤192 h. 并在此过程中定期测量样品电阻的变化.

为评价混合集成电路中Al/Au键合系统的寿命，选取10只样品，编号分别＃1-1、＃1-2、…、＃1-10，在125℃恒定温度应力下实验；选取8只样品，编号分别为＃2-1、＃2-2、…、＃2-8，在150℃恒定温度应力下实验；选取10只样品，编号分别为＃3-1、＃3-2、…、＃3-10，在175℃恒定温度应力下实验.

在做高温储存实验的过程中，必须对样品电阻进行实时的监测，通过电阻的变化来表征它的退化规律.观察可知，当样品的电阻变化率达到20%后，它的退化速率大大加快. 如样品＃1-7(125℃)、＃2-8(150℃)、＃3-7(175℃)，它们的电阻变化率随时间的变化规律如图5—7所示

图5 实验样品＃1-7电阻变化率随时间的变化规律

图6实验样品＃2-8电阻变化率随时间的变化规律

图7 实验样品＃3-7电阻变化率随时间的变化规律

综上所述，关于混合集成电路中粗铝丝与厚膜金导体所形成的Al/Au键合系统的退化规律，当电阻变化率达到20%后，它的退化速率大大加快，个别样品电阻变化率甚至出现突变，这为我们评价其寿命失效判据的选择提供了实验基础.

4 结论

针对混合集成电路中粗铝丝与厚膜金导体所形成的Al/Au键合系统，通过高温储存实验、接触电阻实验，选择Arrhenius模型来评价Al/Au键合系统的寿命，同时选择125℃、150℃、175℃作为加速应力. 得到以下结论：

1) 在125℃、150℃、175℃三种加速温度应力条件下样品电阻的变化率随高温储存时间线性增加，但当Al/Au系统的互连接触电阻变化率达到20%后，电阻的变化率即退化速率显著增加，因此可以把电阻变化率达到20%作为键合退化的失效判据.

2) 在恒定温度应力下，Al/Au键合系统的退化主要表现为接触电阻增加，键合强度下降，这是因为相应的键合系统的电阻率比纯金属系统大得多.

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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

畅兴平(1977— ), 女, 湖北枣阳人, 襄樊学院物理与电子工程学院讲师.

饶 超)