金迁移诱致谐波混频器失效分析研究

席善斌，高金环，裴 选，高兆丰，黄 杰

（1.中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051；2.国家半导体器件质量监督检验中心，石家庄 050051）

金迁移诱致谐波混频器失效分析研究

席善斌1，2，高金环1，2，裴 选1，2，高兆丰1，2，黄 杰1，2

（1.中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051；2.国家半导体器件质量监督检验中心，石家庄 050051）

对用于某下变频器模块中的HMC264型谐波混频器开展了失效分析研究。结果表明，混频器增益下降、电流增大是由于混频器芯片表面产生金迁移并将相邻金属化条跨接所致。混频器芯片表面产生金属迁移是因为芯片表面有液体聚集现象存在，加电使用过程中，金属化层材料Au在电场及残留液体共同作用下发生迁移所致。借助扫描电镜对电迁移形貌及元素成分进行了分析，并对电迁移相关的失效机理进行了讨论，最后对预防电迁移所导致的失效提出了预防和改进措施。

金迁移；谐波混频器；失效分析；电子风力

引言

近年来，电子产品不断向高性能、微型化、便携化方向发展，电路的封装密度以及集成度越来越高，功率也越来越大，从而引起芯片单位电流密度也不断增大，芯片互联线发生金属迁移导致电路失效的几率也变得也来越高。金属迁移是集成电路微型化、高性能以及采用小型化互联结构而出现的一个尤为典型的质量问题，会严重影响电路可靠性，大大减少器件使用寿命，且对温度、湿度、芯片电场强度等多种环境条件较为敏感，是芯片设计和制造中必须要考虑的一个重要因素，更是芯片使用中所面临的一个最为重要和急需解决的可靠性问题。

本文针对HMC264型谐波混频器金迁移导致的失效开展失效分析研究，利用金相显微镜、扫描电镜及能谱仪等设备对芯片进行微观分析，探究混频器失效模式及其潜在的失效机理，并给出相应的预防措施。

1 失效分析

HMC264型谐波混频器为Hittite公司生产的进口工业级器件，用于某型号下变频器模块中，该模块在温度循环试验后进行整机试验时出现功能异常，研制单位对模块进行故障定位后，认为其内部的HMC264型混频器电流增大、增益下降，从而导致整机异常。

将下变频器模块机械开封后，其内部的HMC264型谐波混频器芯片整体形貌如图1所示，芯片未见开裂现象，表面未见金属多余物，但芯片表面有液体残留痕迹，且残留痕迹呈区域聚集现象，可以断定芯片表面与液体接触。利用金相显微镜获得的芯片局部形貌如图2所示，可见芯片表面存在明显的金属迁移现象，迁移产物从芯片表面金属化层边缘处起源呈树叶状散开，且部分区域已将相邻金属化条跨接。

图1 HMC264混频器芯片全貌

图2 芯片表面金属迁移形貌

图3 扫描电镜下金属迁移形貌（a）及元素特征峰（b）

表1 迁移金属元素成分

为进一步确定发生金属迁移的元素成分及含量，对图2中实线标记区域进行扫描电镜（SEM）成像检查，并对发生迁移的金属（图3标记区域）借助能谱仪（EDS）进行能谱分析，获得的放大6000倍的SEM成像及EDS能谱结果如图3所示，元素含量如表1所示。图3可以清晰看出发生迁移的金属形貌，迁移金属从长条金属层底部自上而下生长，位于方形金属层间的迁移金属面积要大于两侧，并与下面的方形金属层完全搭接，在条形金属的上部则没有发生金属迁移的现象。迁移金属的方向性可能与器件工作时芯片电场分布相关。对搭接部分的金属进行能谱分析获得的元素特征峰主要是金（Au），其重量百分比为83.90 %，可以确定器件失效主要是由于芯片发生了金迁移所致。

2 失效机理

多数情况下，芯片发生金属迁移主要是由于电迁移引起的，电迁移是器件互联线中的金属阳离子与电场作用下作漂移运动的电子相互作用引起的定向输运现象。因此，从电子与金属离子相互作用这一角度看，只要有电流流过，电路就有一定几率发生金属电迁移现象[1]。事实上，器件失效发生金属迁移现象并非电场应力单独作用导致的结果，在电迁移过程中一般还会伴随应力作用下的应力迁移、温度作用下的热迁移以及发生化学作用引起的化学迁移等现象中的一种或多种同时发生。

器件工作时，芯片会有电流流过，由于金属布线宽窄不同以及结构的差异，芯片不同部位的电流密度也不相同，高、低电流密度间产生的焦耳热也不尽相同，这种有差异的焦耳热会在芯片内部形成温度梯度，它是导致金属发生热迁移的主要驱动力。电迁移过程中，电子沿着电场方向做定向漂移运动，在原来的位置留下空穴，空穴的大量积累会导致金属互联结构产生局部应力。此时，一般还同时存在机械和温度载荷所产生的应力，在这一种或多种应力形成的应力梯度作用下，原子就有一点几率作定向应力迁移。此外，由于电迁移或应力迁移会导致芯片内部原子不再平均分布，这会导致芯片局部原子浓度过高，这种由浓度高低所形成的原子浓度梯度就会引起金属发生化学迁移[2]。综上分析，金属发生迁移失效一般都是多种迁移机制综合作用导致的结果。谐波混频器在经历了温度循环后，加电测试发现失效，且机械开封后芯片表面有液体残留痕迹，说明混频器发生金属迁移并非单一应力也同样是多种应力综合作用所引起的。

Fiks在1959年发表的文献中首次提出了“电子风力”这一概念，并对金属发生的电迁移现象作了详细研究。他认为，当器件工作时导体中加载电流，大量的电子就会在电场作用下作定向运动，此时电子有一定的几率与金属中处于游离态的原子相互碰撞并进行动量交换作用。一旦金属原子通过碰撞获得的能量超过其挣脱势垒束缚所需的能量时，就会离开其所处的平衡位置向下一个平衡位置移动。当芯片局部存在高电流密度梯度时，这种因动量交换引起的原子定向迁移运动就变得非常显著，进而引起该位置产生明显的质量输运[2]。如图4所示，金属原子与电场作用下定向运动的电子之间发生动量交换所需的力我们称之为“电子风力（Electron Wind Force）”，并用Fwind来表示，其方向与电场方向相反，也即与电子定向运动的方向一致；电场直接作用到金属原子上的库仑力用Fdirect来表示，二者的合力一般统称为“电子风力”。在高电流密度条件下，金属原子受到定向运动电子碰撞作用更为显著，故金属原子沿电子漂移方向作定向运动。

高电流密度梯度的存在会引起金属互联结构内的原子作定向迁移运动，产生显著地质量输运，从而导致芯片金属互联结构上产生明显的空洞或金属晶须，发生电迁移失效。空洞的出现会使金属互联线变窄，使得线路电阻增加，严重时还会导致互联线完全断开，电路发生开路失效；定向生长的晶须则会跨接在相邻的互联线上，电路互联短路，最终导致电路功能失效[2-6]。混频器芯片表面定向生长的树叶状金属正是晶须的一种特殊表现形式。

图4 “电子风力”示意图

为描述金属电迁移失效，我们引入中值失效时间（Median Time to Failure，MTF）这一概念。中值失效时间是指在相同的直流电流作用下，50 %金属互联引线发生失效需要的时间，失效判据为引线电阻增加1倍，其数值大小可以用式（1）来表示：

式中，MTF为中值失效时间；A为金属互联线的有效横截面积；C为修正因子，且与互联线密度、电阻率、晶粒大小、粒子质量等相关；J为互联线内电流密度（A/ cm2）；n为电流密度指数；EA为原子发生迁移所需的最低能量也即激活能（eV），与修正因子C一样，均可通过试验数据加以确定；k为波尔兹曼常数（l.38×10-23J/ K）；T为金属条温度（K）。可以看出中值失效时间与芯片电流密度和工作温度密切相关，芯片电流密度越大，或其工作温度越高，中值失效时间就越小，也就是说发生失效所需的时间就越短。混频器在温度循环试验中，高温引起MTF值减小，导致电迁移失效所需的时间减小，即高温在一定程度上加剧了芯片电迁移失效的发生。

温度梯度作为原子迁移的一个驱动力，会引起原子从高温区域向低温区域作定向运动。电路工作过程中产生的焦耳热是导致芯片表面形成温度梯度的一个主要因素，这一温度梯度在电路发生电迁移之前就已存在，只是在电路发生电迁移失效过程中，会加速金属互联线上的空洞或晶须的形成。国外文献也证实了温度梯度的存在对电迁移失效的影响，认为典型金属电迁移失效一般发生在芯片存在最大温度梯度的位置[7,8]。如果电子从低温区域向高温区域移动，此温度梯度会延长电迁移失效时间，若电子从高温区域向低温区域移动，此温度梯度则会显著缩短电迁移失效时间。

综上分析，混频器芯片表面有液体残留痕迹，可以推测在循环试验中的低温阶段，器件腔体内部以及芯片表面产生了凝露，在芯片加电使用时，如果内部钝化层结构不完整，就会导致芯片漏电增加或短路，引起电参数超差失效；另外凝露还会引起器件漏电变大、绝缘电阻变小，严重时甚至会出现飞弧和击穿等现象[9]。在电、潮湿和温度的共同作用下，混频器芯片就有一定的几率发生金属迁移现象，导致内部金属化系统失效。

3 结论

通过对HMC264型谐波混频器进行的失效分析及其相关的失效机理研究，混频器增益下降、电流增大的原因是由于混频器芯片表面产生金迁移并将相邻金属化条跨接所致。混频器芯片表面产生金属迁移的原因是由于芯片表面有液体聚集现象存在，加电使用过程中，金属化层材料Au在电场及残留液体共同作用下发生迁移所致。

合理进行电路版图设计及热设计，尽可能增加条宽，降低电流密度，采用合适的金属化图形（如网络状图形比梳状图形好），使有源器件分散；控制晶片缺陷密度，减少金属化内部应力，完整、均匀的表面钝化层结构以及有效的水汽含量控制措施等均可有效延缓或降低电迁移导致的器件失效现象发生。

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Failure Analysis of Harmonically Mixer Caused by Au Electromigration

XI Shan-bin1，2，GAO Jin-huan1，2，PEI Xuan1，2，GAO Zhao-feng1，2，HUANG Jie1，2
（1.The 13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang 050051；2.National Semiconductor Device Quality Supervision and Inspection Center，Shijiazhuang 050051）

The failure analysis of HMC264 harmonically mixer used in the module of a lower frequency converter is carried out.The results show that the gain of the mixer is decreased and the current is increased，which is due to the cross connection between adjacent metal strip caused by Au electromigration.Due to the presence of liquid aggregation on the surface of the chip，and in the process of adding electric power，the metal of Au in the metal layer transfers in the interaction of the electric field and the residual liquid.By means of scanning electron microscopy，the morphology and composition of the elements is analyzed，and the failure mechanism is also to be discussed.Finally，the prevention and improvement measures for the prevention of Au electromigration are proposed.

Au electromigration；harmonically mixer；failure analysis；electron wind force

TN406

A

1004-7204（2015）06-0043-04

席善斌（1985-），男，山东滕州人，博士，工程师，主要从事电子元器件失效分析及可靠性试验工作。