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选自《微电子器件封装-封装材料与封装技术》第十章可靠性设计
当一个电子产品工作达到它所设计的要求时，就称这个产品是可靠的。反之，称之为不可靠。当一个电子产品工作长达二十多年时，就认为它具有长期的可靠性。
电子产品可靠性的定义是在限定的条件下、在给定的时间内电子产品工作（不失效）的概率。相类似的指标是电子产品的平均使用寿命，它可能是几小时，也可能达到几十年。
很清楚，从经济上来说，我们不可能测试这些产品那么多年，然后才把它发送给顾客。为了保证这些电子产品封装能够可靠地工作很长的时间，我们要做两件事情：第一，设计这个产品的封装时，预先考虑它的可靠性；第二，在产品设计制造和装配以后，对整个系统进行封装的可靠性加速测试。
从事产品检验和产品质量保证的技术管理人员要做的和要知道的事是电子产品工作多长时间会失效、是什么原因造成电子产品失效、如何能够避免电子产品的失效，并且制定电子产品可靠性的标准。
首先，必须事先决定各种能够导致产品失效的主要机理，知道这些失效机理，就可以创造性地设计和选择材料以及制造工艺，使之能够缩小或者是限制失效的可能性。这种在系统建造和测试以前的预先设计，称之可靠性设计。
其次，在系统被建造和装配以后，这个系统应该在加速的条件下，做可靠性测试。例如热循环测试、温度和湿度测试、短期的通电开机循环，并在高温、高湿、高压的条件下加速产品的失效过程。这就叫做可靠性测验。
传统的工业实践是，在ＩＣ和系统水平的封装制造和装配以后进行可靠性测试，如果在可靠性测试中发现了问题，那么这个ＩＣ和系统水平的封装就要重新设计、重新制造、重新装配、重新测试。这样的重新制造重新测试的过程，是非常昂贵的并且消耗时间。所以，可靠性设计要先于其他设计过程，而且在ＩＣ和系统水平的封装制造前，要了解并能够解决可靠性的问题。
10.1微电子器件失效机理
电子产品失效和其他产品一样，从统计的角度来说，产品有三个失效阶段，也就有三种
失效：即早期失效、本质失效和老化失效。
早期失效是由于电子产品的制造缺陷造成的，也可以说是生产质量问题造成的。在生产电子产品时要首先制定一系列电子产品的质量标准，并按照这些质量标准来检查和控制产品生产。而早期失效的产品基本上都是那些漏检的电子产品，这些产品会在有效期内提前失效。
本质失效是属于电子产品标准以外的因素造成的，例如意外强烈冲击、外电压波动造成的电子产品电压击穿等，通过小心谨慎地使用电子产品可以避免这些本质失效。
老化失效是电子产品长期渐渐地损耗老化造成的，包括大气环境对电子产品的污染损害、金属器件的腐蚀、电子产品内部的电子迁移、热循环造成的材料损害等。
可靠性是电子产品按照设计要求工作的概率，而失效率是电子产品不能按照设计要求工
作的概率。
一组正常的电子产品，比如说１０００个电子产品，放到高温高湿测试箱里，做加速老化实验。每隔一定时间检验失效的数目，直到最后一批电子产品失效为止。经过时间ｔ后，失效的数量对全组数量的比为失效率，它是时间的函数，称做累积失效函数Ｆ（ｔ）。图10-1给出了失效率作为时间的函数曲线，即累积失效率。
将累积失效率对时间求导数，就可以得到失效速度。将失效速度对时间做曲线图，就可以得到失效速度曲线，如图10-2所示，习惯上叫做浴盆曲线，因为它的形状像浴盆。在这里的失效速度不是指每一个器件的失效速度，而是指全组器件失效的速度，即单位时间里失效的器件个数。也可以叫做失效密度。
从浴盆曲线可以看出不同时间里的电子产品失效速度的变化，在初始阶段，早期失效的数量很大，说明失效速度快，到了本质失效阶段，失效的速率基本上恒定不变，即每隔一定的时间失效的电子产品的数目基本上一样。到了老化失效阶段，失效速度急剧上升，说明电子产品基本上到了使用寿命，很快都失效了。技术管理的目的是要减少或消灭早期失效，努力延长电子产品的使用寿命。
产品的失效是发生在最低的硬件水平，然而，影响却是在系统的水平上。例如，一台计算机可能在通电后不能启动，虽然它是一个高水平现象，实际上很可能是因为由于热应力造成的一个芯片的破裂，或者由于腐蚀造成的电路断路，或者是由于潮湿及静电放电造成的短路。不管暗藏的失效机理是什么，实际结果是这个器件是不可靠的或者是无用的。
所有的失效都是电气上的，但是引起失效的原因可能是热力上的、机械上的、电气上的、化学上的或者是它们的组合。失效的机理可以分为两大类：超负荷机理和老化机理。超负荷机理是一次超过了器件的强度和能力而引起器件失效。而老化机理是逐渐地不断地，也可能是在很低的负荷下发生，长时间地重复地施加较低的负荷而导致器件累积性的损害，以至于最后失效。
10.2可靠性设计的基础
可靠性设计不管失效机理是超负荷还是老化，重要的是明白失效的原因，设计时防止这些失效。不同的应用是由不同的失效机理主宰的，因此不可能设计防止所有的失效机理。要看到在设计防止一个失效机理时，可能造成另一个失效机理。因此，设计应该很小心以便达到器件的最大程度的可靠性。
一般来说，设计防止失效可通过下面两种方法。
①降低造成失效的负荷。
②提高器件的强度。
降低负荷或者提高强度可以通过改换材料、改变封装的几何形状和尺寸，或者引用新的保护或者封装。
10.3热机械性的失效
热机械失效是由于电子器件封装内部产生的应力和应变造成的，环境或者内部过热会产生应力和应变。由于材料之间的热膨胀系数不同（不匹配）、器件中的热梯度、几何形状上的限制等，热力引发的应力和应变可能会产生在器件的不同部分。热机械性应力的产生可以通过一个简单的例子来说明：一个倒装的芯片通过锡凸焊球与基板相连，当温度由环境温度提高到一个较高温度时，由于基板和芯片之间的热膨胀系数的不同，基板膨胀大，基板上的焊点向外移，就造成了在锡凸焊球上的剪切应力，芯片右半边的焊球承受反时针方向的剪切应力，芯片左半边的焊球承受顺时针的剪切应力；反过来，如果温度由环境温度降低到一个较低温度时，由于基板和芯片之间的热膨胀系数的不同，基板收缩多，基板上的焊点向内移，芯片右半边的凸焊球承受顺时针的剪切应力，芯片左半边的焊球承受反时针的剪切应力。
在所有的热机械失效机理当中，疲劳破裂、脆性裂痕、蠕变、层间剥离、弹性变形等是最常见的。
10.3.1防止疲劳失效
疲劳是最常见的失效机理，一般认为９０％以上的失效是由疲劳造成的。无论是金属、聚合物或者陶瓷都会发生疲劳现象。其中陶瓷是最不容易疲劳的，这种现象可以用一个简单的实验来说明：拿一个金属别针，向一个方向弯曲，直到形成一个尖锐的回弯，这个别针在回弯处承受着弹性变形，但是并没有疲劳，现在如果反过来将其恢复原状，这样反复以前的弯曲过程，几次以后这个别针就会疲劳。在这种循环作用力的作用下，别针就会在小的作用力下断裂，低于这个金属别针在单一的作用力下断裂所需要的负载。初时的负载引起别针应变和硬化，反复地施加作用力，就会造成内部疲劳损伤。把这一过程简化，加以说明就是塑性变形引起材料结构位错的移动并互相交差。这些位错的互相交差就会使位错移动性提高，并使其继续疲劳变形而形成更多的位错。位错密度的增加，降低了材料的晶格完整性以至于形成微裂纹，当这些微裂纹长到足够大的时候，就导致了疲劳的发生。
10.3.2疲劳断裂的定义
有两种方法来确定疲劳失效的循环数目。第一种方法叫做高循环疲劳，基于应力逆转的次数来确定疲劳失效的循环数量，这个以应力为基础的方法，主要是用在器件的应力处于弹性应变区并没有超出屈服点的情况。第二种方法叫做低循环疲劳，它是根据应变的逆转，用在材料具有塑性或者永久性变形的情况下。
图10-3表示高循环疲劳的负载循环，是变化的应力作为时间的函数。应力疲劳循环定义为成功地承受了最大的负载或者应力，一个疲劳循环是指依次地达到负载或者应力的最大值。很多常用的材料包括基本材料以及聚合物、树脂等，表现出有限的抗应力强度，叫做耐久极限。低于这个极限，无论做多少次循环都不会发生疲劳失效。
10.3.3降低早期疲劳的设计方法
为了降低在焊锡接点处的诱发应变，改善焊接点的疲劳寿命，下面的设计方法可以采纳。
①芯片的载体和基板之间的ＣＴＥ不匹配，会增加应变，因而用ＣＴＥ接近于有效芯片载体ＣＴＥ的材料来代替基板材料。在倒装芯片的装配中，就是采取这种方法的。
②应变会随着与中点距离的增加而增加，因此在设计时候尽量缩短这一距离。即使不可能，也要尽力将所有的关键的互连接放到接近中央的位置，将多余的互连接放到远处。
③焊锡接点的应变是随着温度和操作的温度梯度的增加而增加的，所以在设计时要创造一个好的传热路径，使热量很容易散发，因而就不会产生大的温度梯度。
④在电路板装配上的倒装芯片的焊锡接点的应变，可以通过在芯片和基板之间填充聚合物材料的方法来降低。下填充会降低焊接点处的应变，从而提高焊接点的疲劳寿命。
10.3.4防止脆性疲劳
脆性疲劳是一种超应力失效机理，它的发生非常迅速而没有一点警告，当器件中的诱发应力超过了材料疲劳强度的时候，就发生了脆性断裂。它发生在脆性材料当中，如陶瓷玻璃、硅，它们几乎都没有塑性变形的能力以及相对地只有很少的能量吸收。陶瓷的基板和硅ＩＣ的结合就容易产生脆性疲劳。
大多数聚合物封装材料的玻璃化温度Ｔｇ都比其他材料低，当聚合物从高于Ｔｇ温度，即可塑状态降到室温的固化状态时，并没有达到它们的热力学上的平衡状态。它们倾向于逐渐地达到平衡状态，在这一过程中，聚合物材料本身性质会变脆，这就是聚合物的老化，从而聚合物化合物的抗疲劳强度也就下降了。
当施加应力和功大到足够破坏原子间键力的时候，材料就发生断裂。键强是材料中原子间相吸引的力，从这一原子的断裂的观点可以得到，材料断裂的应力为
式中σｃ———断裂强度；Ｅ———材料的弹性模量。
然而，实验得到的脆性材料的断裂强度要比上面的理论强度低３～４个数量级。早在１９２０年人们就认识到脆性材料的表面存在有微裂纹，这些个微裂纹大大地降低了材料的断
裂强度，根据这一理论，我们可以预计微裂纹快速地扩散以及导致材料破坏的条件。
对于硅晶片而言，断裂经常发生在早已存在缺欠的部位，比如划痕处或者裂痕，当硅晶片经受热处理、切割或者切割操作时，裂痕会在硅晶片的表面出现。在一定的应力存在的条件下，当晶片表面上的裂痕的尺寸超过了一个临界值的时候，这个晶片就会断裂。
为了降低脆性破裂的可能性，可用下面的设计方法。
①脆性断裂是受应力控制的，因此在选择材料和加工条件时，应当尽量使脆性材料产生较小的应力。
②脆性材料的断裂强度随着表面的微裂纹或者缺欠的存在而降低。因而，在装配或者使用前脆性材料应该抛光来除掉表面的微裂纹和缺欠，来提高它的可靠性。
10.3.5设计防止蠕变产生的失效
蠕变是一个在负荷条件下与时间有关的变形过程。它是一个热活化的过程，这就意味着，对于一个给定的应力水平来说，变形的速率随着温度的升高而急剧地增加。这就是说材料的变形不单单取决于施加的负荷，也取决于负荷的时间长短和温度的高低。换句话说，负荷施加时间越长，变形就会继续增加，以至于导致产品失效，这就叫做蠕变失效。
蠕变可以发生在任何应力水平，可以低于或者高于屈服强度。蠕变在高温或者同系温度（ｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）不低于0.5的情况下是非常重要的。同系温度是指操作温度（Ｋ）对材料的熔点温度（Ｋ）的比。铅锡共熔体焊料即使在室温下，由于同系温度高于0.5它也会蠕变。
为了减少蠕变引起的失效可以用下面的方法。
①具有较低熔点的材料，即使在室温的条件下也容易产生蠕变。所以，如果产品应用于高温或者是恶劣的环境下，例如汽车或者是国防应用的产品，应尽量使用熔点较高的材料。
②蠕变变形除了取决于操作温度外，也取决于所施加的应力。所以，减少机械应力就会降低蠕变变形。
③蠕变是受时间控制的。器件暴露在高温高应力下的时间越长，就会产生更多的蠕变变形。因此，对于应用于汽车和空间的器件，防止蠕变是非常关键的。然而，对于那些应用于可移动产品的电子器件，环境条件可能会相对的温和，而且器件的预期使用寿命也只是两三年时，蠕变不会是关键因素。
.6防止剥离引起的失效
多数的电子产品封装含有不相同的材料，这些材料粘接在一起，提供特殊的功能。剥离是临近的互相粘接的材料层间的分离。剥离的存在会影响封装的可靠性，例如：在多层结构的芯片贴装中，金属线与电介质层的剥离、沿着通道墙的裂纹可能造成电的断路。在边缘的剥离会降低晶片和基板之间的机械耦合，导致加速焊接点的疲劳失效。同时，当芯片键合材料剥离时，就会影响到晶片的散热路径，导致半导体器件温度的升高。
为了降低剥离的发生和扩散的机会，下面的设计方法是可用的。
①多数剥离问题是由于加工过程造成的，小心地选择加工条件有助于降低剥离的生成。例如：有效的加工工艺，防止不恰当的密封胶的分配、电介质的填充，同时也可以防止空隙和气泡的生成。在焊接工艺前，烘烤有机物基板会有助于驱除吸附潮气，从而避免形成蒸气。蒸气的形成是剥离失效的致命因素。
②降低临近材料间的工程性质上的不匹配，可以减少剥离生成和发展的机会。
③改善不同材料层间的粘接性质，可以减少剥离的生成和扩散。例如：选择具有较高的学亲和力的材料，对互相粘接的层做表面处理，就会改善粘接强度。
④封装的几何形状应该减少尖锐的角，尖锐的角是最容易剥离的点。
10.3.7防止塑性变形
当所施加的机械应力超过材料的弹性线或者屈服点时的变形叫做塑性变形。塑性变形是永久性的变形，也就是说取消负载，材料的变形仍然存在。从弹性塑性材料的应力应变曲线可以看出，在屈服点以下，材料是在线性的弹性区，在屈服点以上，应力应变的关系是一个非线性的函数。
过度的塑性变形以及由于反复循环的负载，所造成的塑性应变的不断累加，就有可能最终导致器件的断裂。
为了降低塑性变形的机会，下面几点是可以采纳的。
①当封装结构的某一点施加的应力超过了相应材料的屈服应力，就会发生塑性变形。一个简单的规则是，在设计时限制封装结构的设计应力，使其不超过所用材料的屈服强度，如果可能尽量使用具有较高的屈服强度的材料。
②由于应力集中在几何不连续的区域，或者在不同材料的界面上，所以在设计时要控制这一局部区域的塑性变形。例如：在设计锡焊接点的时候，建议控制塑性变形范围不大于１％。
10.4电气方面引起的失效
由电直接引发的失效，往往是由于过高的电流、过高的电压、未可见的放电或者是电介质的击穿所引起的。
10.4.1防止静电放电
静电放电（ＥＳＤ）是指两个不同物体间由于电势的不同，而引起的静电核的转移。它可能通过直接接触或者是通过电场的诱导发生。最常见的现象是两绝缘体的摩擦产生摩擦静电效应。静电电流也可以产生在当两个相接触的物体突然分离的时候。人体在地板上行走或者是突然从椅子上站起来，以及将集成电路块突然从插座上拔起，都有可能产生静电放电，静电放电可以高达２０００～３０００Ｖ，而相比之下ＭＯＳＦＥＴ器件的击穿电压只有５Ｖ，如果这样的静电通过ＩＣ，而静电电流又不能通过适当的保护措施将其分散或者消失，这一静电放电就会使器件内部的半导体结点上的温度提高到熔点以上，这样的高温将造成结点或者互连接线的损害，导致器件的失效。
有两种失效形式。
①立刻失效在器件制造时就可看到这个结果。
②延迟失效被损伤的器件有可能通过质量控制测试，但很快就会提前老化。可以用下面的方法降低ＥＳＤ。
①操作台可以用导电台罩覆盖，操作员戴手腕导电带，铺设导电地板等，这些可以用来防止人体的静电对器件的损害。
②空气离子化器可以放在ＥＳＤ保护区，这是因为离子化器综合了非导电材料的静电电核。
③所有的测试和焊接设备都应该提供接地设施。
④在储存和运输过程中应该使用反静电泡沫塑料包装材料。
⑤可以用监视设备来测量和控制材料的静电电荷。例如：静电报警器、静电伏特表或静电电场表等。
要防止栅极氧化层的击穿，这一氧化层将ＭＯＳＦＥＴ三极管的半导体和金属层分开，叫做栅氧化层。在这一金属层和半导体间的短路叫栅氧化层击穿。这一击穿多半是工艺导致的缺欠或者是颗粒所造成的。例如：硅半导体表面的点缺欠导致这一氧化层的变薄，从而会引起局部的高电场，如果这一局部的高电场高到超过电介质的击穿强度，就会引起器件使用寿命的缩短。在过去的几年中，栅氧化层的厚度已经由１００ｎｍ降低到５０ｎｍ，大大地减少了开关的延迟时间。由于电介质的厚度变小，其介电强度就要变大，已经从１０ＭＶ／ｃｍ左右提高到２０ＭＶ／ｃｍ左右，同时供电电源的电压也被降低了。然而，偶尔的ＥＳＤ静电放电仍然会导致这一氧化层的击穿，以致产品失效。
10.4.2防止电迁移
电迁移是指由于金属传输线内部高电流导致的，连接ＩＣ和封装的金属原子的原子流迁移。例如，（在倒装和封装中的焊锡）在高电流的电子风的影响下，它们承受了一个机械力并由它原来的位置迁移，这就可能造成金属导体中的空洞，这个过程如果继续下去，导体的电阻就会增高，甚至于导致电开路。这一现象多出现在薄膜金属当中，电的机械力和热力可以被认为是影响薄膜中的电迁移的主要因素。电迁移本身可能会造成外部的离子迁移，这一过程倾向于损害晶格的点阵。内部产生的离子流是由于各种物理机理倾向于解放各种不平衡状态，包括浓度梯度的释放和机械应力的释放。
设计防止电迁移的方法如下。
①电迁移常出现在铝和银的金属导体中，而采用铜导线会改善这一问题。
②尽量缩短导线长度是有帮助的，但也可能因此需要加更多的层和复杂的制造过程。
③根据电迁移数据，设计时严格控制电流密度。
10.5化学导致的失效
化学过程，如电化学反应、材料的扩散以及枝蔓晶体的生长都会导致通道导线以及互连接的断裂，从而导致电失效。温度的升高、电压的升高以及应力的增加都会加速化学反应，因此化学失效可以认为是热、电和机械的共同作用。
在电解质存在的情况下，电化学反应会引起金属的消耗腐蚀。为了解释电化学反应引起的腐蚀，就必须了解电化学电池反应。金属Ｍ在存在电解质的情况下，会被氧化而失去电子，这是一个电池反应中的阳极反应，可以写成如下反应式。
阳极反应：
式中，Ｍ２＋是正离子；ｅ－是电子。这一正离子就会溶解到液态的溶液当中。这样一个金属离子的溶解过程就会逐渐地消耗金属，释放出的电子就会与液态溶液当中的阳离子，如氢离子相结合。
阴极反应：
基于上面的解释，可见金属的腐蚀是由于电化学反应，而这里必须有电解质的存在，才能帮助阳极反应，从而导致金属的消耗。
10.5.1防止腐蚀的方法
①具有较高氧化势的金属，倾向于高速腐蚀，换句话说，金属以离子形式存在于一个溶液当中要比作为固体的金属更稳定，因而更容易被腐蚀。
Ａｌ、Ｔｉ和Ｎｉ等金属由于它们具有较高的氧化势而很容易被腐蚀，惰性的金属如Ａｕ和Ｐｔ作为金属要比作为离子态更稳定，因而腐蚀非常慢。在常用的微电子封装中的金属，按其稳定程度作如下的排列。
Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ａｌ。
②腐蚀的发生必须有潮气。因而，全密封的封装是为了防止潮气的吸收，虽然塑料封装或者是模塑器件不能够阻止潮气的吸收，但它们仍然可以避免化学反应物的污染。重要的是确保在封装过程和装配过程中，没有潮气和化学污染物被留在包装内。为此可以在无尘室中进行包装、在车间内进行必要的污染监测以及在装配前对器件进行去离子水清洗。
10.5.2金属间的扩散
在引线键合和焊接点处的互连接中，金属间的扩散是很普遍的导致失效的现象。在引线键合以及焊锡重熔过程中，往往会产生不同的金属层，它们是连接过程中的副产品，而且这些金属层对一个良好的互连接是必要的，但是太多的金属层的形成会导致局部的变脆，并降低金属的强度。例如，在焊锡的重熔过程中，在铜和锡之间就会发生扩散，在铜片和锡焊料的界面上形成铜锡化合物（ＩＭＣ）。在热循环测试过程中，固态的ＩＭＣ层的长大，会引起局部的材料变脆以及过多的微结构拐角。
设计防止金属间的扩散的方法如下。
①金属间化合物（ＩＭＣ）层的形成，可以通过下面的方法来控制。即控制工艺温度以及在互连接的过程中，控制好高温暴露的时间。
②ＩＭＣ层的成长属于固态扩散，在热循环测试中可以用扩散的模型来描述。
③ＩＭＣ层的成长速度，可以通过控制温度范围、循环次数和在高温下停留的时间来控制。
④在铜焊片表面镀镍合金层，可以延迟ＩＭＣ成长。
10.6总结和未来趋势
所有的微电子系统正在变得越来越复杂，因为人们要求器件具有更多的功能。这就要求下一代的电子产品具有更高的可靠性。它们的工作环境可能更严酷，没有设计可靠性的保证是不可以想像的。
①电失效是由热、机械、热机械、电或者化学机理造成的。一个可靠器件的封装，在它的有效期内不应该由于上述加速因素而失效。
②不同的器件往往会有不同的失效机理，例如：在恶劣的高温环境下，很可能会发现是由于热机械疲劳而失效，而在一个潮湿的环境当中，其间又没有防水的密封和封装，就很可能会出现腐蚀引起的失效。所以，设计预防所有的失效机理，那可能是非常昂贵的，不如有针对性地根据器件的应用和相应的失效机理来做预防设计。
现在，电子产品的检验要求做很多可靠性测验，包括热冲击实验、热循环实验、高温高湿加速老化实验等，有的实验要几十天才能完成。所以，可靠性测验也是很费时间费金钱的工作。开发新的有效而又低成本的可靠性测验方法也是当务之急。
在产品的开发中，必须预先做可靠性设计，包括封装的几何形状、材料选择等；并找出更有效地预测电子产品有效寿命的实验方法和电子产品检验规则；利用精确的实验数据，设计出电子产品可靠性检验的模拟实验，更精确地预测电子产品的可靠性。
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