18.5. Физико-химические локальные модели отказов

Для каждого конкретного объекта исходными моделями надежности являются локальные модели отказов в форме моделей физико-химических процессов.

Рассмотрим краткие характеристики этих процессов:

1. Взаимная диффузия в контактах разнородных металлов (эффект Киркендала) ведет к формированию интерметаллических соединений, возникновению пустот и является причиной механической хрупкости контактов. Эти явления наиболее часто можно наблюдать в местах сварных соединений золотых проводников с алюминиевыми контактными площадками. С течением времени в местах контактов образуется серия интерметаллических соединений типа Au–Alи при наличии в алюминии кремния –Au–Si–Al. Индикатором отказа служит обычно обрыв электрической цепи схемы. Механизмом отказа в данном случае является взаимная диффузия металлов и их химическое взаимодействие.

2. В полупроводниковых приборах может наблюдаться термоактивированная объемная диффузия золота в твердом теле кристалла. Изменение определяющих параметров ИЭТ от времени связано с количеством продиффундировавшего вещества.

3. Окисление металлических пленок ведет к увеличению их сопротивления. Механизм постепенного отказа в случае окисления заключается в диффузии кислорода по поверхности, в объеме и по границам зерен проводящей или резистивной пленки. Эти процессы ведут к необратимому увеличению сопротивления пленки из-за: образования поверхностного окисного слоя; дополнительного рассеяния электронов проводимости на продиффундировавших ионах кислорода (диффузия в объеме и по границам зерен); образования изолирующих окисных межзеренных прослоек и увеличения относительной доли туннельного механизма проводимости по сравнению с металлической проводимостью; появления диэлектрических свойств у проводящей или резистивной пленки.

4. Проникновение влаги в герметизированный корпус, адсорбция ее на поверхности металлизации через поры и трещины в защитных покрытиях, а также наличие ионных загрязнений на поверхности кристалла способствуют возникновению коррозии металлизации, носящей, как правило, электрохимический характер. При достижении относительной влажности внутри корпуса около 60% создаются благоприятные условия для адсорбирования на поверхности кристалла достаточного количества влаги, обеспечивающего высокую электролитическую проводимость.

При производстве приборов имеется большое количество источников загрязнения поверхности кристалла ионами примеси. В первую очередь, это загрязнения, попадающие в результате обработки пластин. Далее, это атмосфера, в которой проводится герметизация, конструкционные детали корпуса, клеевые составы, применяемые для посадки кристалла, и пластмасса, используемая для герметизации приборов.

Наиболее опасными для алюминия являются ионы натрия, калия и хлора. Из-за амфотерности¹алюминий может корродировать как в кислой, так и в щелочной среде. Как правило, в большей степени подвергаются коррозии металлические электроды, находящиеся под отрицательным потенциалом (катодная коррозия). Они разрушаются под действием положительно заряженных ионов. Такому же воздействию подвергаются положительно заряженные электроды, взаимодействуя с отрицательными ионами. Однако скорость коррозии положительно заряженных участков ниже, так как на них одновременно с коррозией идет активный процесс образования слоя окиси алюминия, препятствующий дальнейшему его разрушению. При наличии на поверхности кристалла ионов хлора коррозия положительных участков металлизации значительно ускоряется вследствие высокой способности ионов хлора проникать сквозь толстую пленку окиси алюминия.

Скорость коррозии существенно зависит от напряжения, подаваемого на схему. Разность потенциалов 5 В и более достаточна для того, чтобы возникла интенсивная коррозия. Скорость коррозии зависит также от расстояния между электродами, температуры окружающей среды и концентрации ионов примеси на поверхности кристалла. Анализ отказов, возникших в результате коррозии, показывает, что последняя возникает и развивается в первую очередь на границах зерен с образованием сплошных микротрещин, приводящих к обрыву металлизации. Применение фосфорсиликатного стекла с повышенным содержанием фосфора значительно увеличивает коррозию, так как избыточный фосфор, взаимодействуя с водой, образует фосфорную кислоту, которая усиливает коррозию металлизации. Снижение весовой концентрации фосфора в фосфорсиликатном стекле, контактирующем с алюминиевой металлизацией до 5%, увеличивает среднюю наработку до отказа из-за коррозии более чем на три порядка.

5. Одним из видов отказов приборов может быть замыкание слоев металлизации или обкладок конденсаторов при диффузии ионов металла, различных продуктов электрохимической реакции восстановления окисла и других примесей и загрязнений в местах дефектов окисла, имеющих повышенную электрическую проводимость (микроканалы), или в областях неоднородностей, имеющих повышенный коэффициент диффузии (поры, трещины, инородные включения и т.п.).

6. Электромиграция (электродиффузия) заключается в том, что в металлических проводниках в определенных условиях при прохождении постоянного тока большой плотности (около 10⁶ А·см^-2) наблюдается перенос материала проводника из района отрицательного контакта к положительному. Суть данного явления заключается в следующем. При приложении электрического поля Е к проводнику в нем возникает поток электронов 1_е, направленный навстречу электрическому полю. Положительно заряженные ионы металла в этих условиях испытывают воздействие двух сил. Одна из них F_z возникает под действием электрического поля, стремясь переместить ионы по направлению поля. Происхождение второй силы F_e связано с взаимодействием потока электронов с ионами металла, она направлена навстречу электрическому полю. При достаточно большой плотности тока возникают условия, когда F_e>F_z и ионы металла начинают перемещаться из области контакта М₂^-, находящегося под отрицательным потенциалом, в область положительного контакта М₂⁺ (рис. 18.3,а). В результате этого в области отрицательного контакта (рис. 18.3,б) создаются обедненные участки и пустоты, а в районе положительного контакта происходит накопление металла, в отдельных местах образуются бугорки, вырастают металлические «усы» и «метелки». Неоднородный нагрев проводника (T₁>T₂) ускоряет процесс переноса.

Конечным результатом процесса может быть значительное уменьшение сечения проводника в области отрицательного контакта вплоть до наступления разрыва пленки.

Явление электропереноса вещества в тонких металлических пленках наблюдается при прохождении постоянного или пульсирующего тока. Ускорению электродиффузии способствуют дефекты металлической пленки в виде царапин, посторонних включений, сужений металлических дорожек, неравномерности по толщине пленки. Все эти факторы создают градиенты плотности тока и температуры, вследствие чего и ускоряется электродиффузия, конечным результатом которой является отказ прибора из-за разрыва металлизации.

Среднюю наработку до отказа из-за обрыва металлизации, вызванной электродиффузией, можно определить из следующего выражения:

(18.16)

где К - константа, зависящая от материала пленки, ее структуры и геометрии; J - плотность тока, А·см^-2; n - показатель степени, равный 1, когда отказы преимущественно определяются структурой пленки (в случае, когда в формировании отказа доминирующее значение приобретает градиент температуры n = 3); Е_а - энергия активации процесса электродиффузии, равная 0,5-0,7 эВ. При повышенных плотностях тока верхнее значение для энергии активации предпочтительнее.

Рис.18.3. Модель электродиффузии ионов алюминия в пленочном проводнике: а – металлическая разводка на поверхности полупроводниковой пластины; б – образование дефектов в результате электродиффузии

7. К наиболее существенным процессам деградации приборов следует отнести адсорбцию ионов газов и водяных паров из окружающей атмосферы, перераспределение зарядов и диффузию примесей в слое пассивирующего окисла и др. Влияние загрязнений на p-n-переходы проявляется большей частью в увеличении обратного тока.

8. Кроме того, локальный перегрев токоведущих дорожек способствует укрупнению зерен поликристаллической структуры материала за счет слияния соседних зерен и разрастания их до поперечного размера дорожки. В этих условиях происходит разрыв или отслаивание металлизации из-за больших растягивающих усилий, возникающих в местах разрастания зерен. Действие данного механизма отказов может быть существенно ослаблено за счет снижения плотности тока, протекающего по токоведущим дорожкам, а также добавлением в металлизацию специальных примесей, например иттрия до 1%, повышающих температуру рекристаллизации.