CN103884927B - 一种力电热多场耦合下微电子产品可靠性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力电热多场耦合下微电子产品可靠性测试方法，属于微电子产品可靠性测试与寿命预测技术领域。该方法步骤为：（1）测量待测样品的初始电阻，设定电阻变化阈值；（2）在恒温条件下对测试样品施加电流载荷，测试样品的电阻变化，进一步得出电迁移指数前因子A、电流常数n和电迁移激活能Q_em；（3）在温度循环载荷下测试样品的电阻变化，进一步得出非弹性剪切应变范围Δγ₀，疲劳延性指数c，疲劳延性系数ε_f；（4）在温度循环载荷和电流载荷耦合作用下测试样品的电阻变化，进一步得出指数前耦合因子β和电流耦合因子l；（5）对应不同电流密度和温度循环条件，根据公式（3）计算微电子产品的服役寿命。

Description

一种力电热多场耦合下微电子产品可靠性测试方法

技术领域

本发明涉及微电子产品可靠性测试与寿命预测技术领域，具体涉及一种力电热多场耦合下微电子产品可靠性测试方法。

背景技术

在现代微电子工业中，互连体制造技术通常都是将互连电路物理沉积或化学粘接在半导体材料或高聚物介电材料基板上，在这些物理或化学工艺过程中，制备的互连体电路材料中通常受到基体的强约束效应而产生很高的工艺残余应力；此外，当电流通过焊点引起温度变化时，由于焊料与基板材料热膨胀系数的不同会导致在焊点中产生很强的热应力；因此微电子产品在长期使用过程中要同时受到力和电的耦合作用。在力电热多场耦合作用下，温度和应力场会加快电迁移等电致损伤的发生，同时电流作用也会促进材料中缺陷的形成和材料的弱化，进而加速产品在应力场下的失效过程。因此，力电耦合作用下微电子产品的服役，不能视做应力和电流两种效应的简单迭加，而是存在着复杂的关联与耦合效果。

目前对于微电子产品在力、热、电单场条件下的可靠性评估和寿命预测均有较系统的测试方法、标准与装备，但对于力、热、电多场耦合条件下微电子产品的可靠性测试与评估尚缺乏相应的测试技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种力电热多场耦合下微电子产品可靠性测试方法，该测试方法采用加速实验方案，即在测试中选用高于实际使用条件下的电流密度、温度、温度变化速率，从而使试样在较短的时间内失效。然后通过对实验数据的系统分析，给出对应于实际使用环境条件的加速因子，继而对测试产品在实际使用环境下的服役寿命进行预测和评估。该方法解决了目前多场条件下微电子产品多场服役特性测试及评价困难的问题。

由于力电热多场条件下微电子产品的服役行为不能简单视为为单场下失效行为的简单叠加，而是要考虑力电热多场之间复杂的关联与耦合效果，因此其测试过程中需要对单场和多场耦合条件下的失效时间分别测试，进而计算出不同电流密度和温度循环条件下微电子产品的服役寿命。

本发明的技术方案是：

一种力电热多场耦合下微电子产品可靠性测试方法，该方法首先在特定实验条件下测试微电子产品单场电迁移、单一热循环和力电热多场耦合条件下样品的平均失效时间，然后通过多场耦合条件下的服役寿命评价公式及测试中得到的参数，计算出不同电流密度和温度循环条件下微电子产品的服役寿命；具体包括如下步骤：

（1）测量待测样品的初始电阻，设定电阻变化阈值。

（2）在恒温条件下对测试样品施加电流载荷，测试样品的电阻变化；以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据，测试样品的平均失效时间（寿命）MTTF；根据公式（1）得出电迁移指数前因子A、电流常数n和电迁移激活能Q_em。

$\mathrm{MTTF}=A{j}^{-n}\exp \left(\frac{Q_{\mathrm{em}}}{\mathrm{kT}}\right)---\left(1\right)$

其中：j为电流密度，k为玻尔兹曼常数，T为温度。

（3）在温度循环载荷下测试样品的电阻变化；以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据，测试样品的平均失效时间N_f0；然后根据公式（2）得出非弹性剪切应变范围Δγ₀。

$N_{f0}=\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\γ}}_0}{2{\mathrm{\ϵ}}_f}\right)}^{1/c}---\left(2\right)$

其中，疲劳延性指数c和疲劳延性系数ε_f为由材料自身决定的常数，可通过材料疲劳手册及相关文献查得，亦可通过应变疲劳实验测量得到。

（4）在温度循环载荷和电流载荷耦合作用下测试样品的电阻变化；以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据，测试样品在多场耦合条件下的平均失效时间N_f；然后根据公式（3）得出指数前耦合因子β和电流耦合因子l。

其中，Δt为温度循环周期。

（5）计算微电子产品的服役寿命：根据公式（3）计算不同电流密度和温度循环条件下微电子产品的服役寿命。

所述特定实验条件是指该测试方法所采用加速实验方案中，选用的高于实际使用条件下的电流密度、温度和温度变化速率；其中：测试电流密度范围为1×10³~9.9×10⁴A/cm²；测试温度范围为-50~200°C，升温速度10~50°C/分钟，降温速度10-50°C/分钟，温度循环周期15~120分钟；温度循环的最低温度-50~20°C可调，保温时间1~45分钟可调；温度循环的最高温度60~200°C可调，保温时间1~45分钟可调。

步骤（2）所述恒温条件是指在温度在-50~200°C范围内并保持某一温度不变。

步骤（1）中所述电阻变化阈值的设定范围为样品初始电阻的10~50％。

步骤（2）-（4）中为保证测试数据的完整性和可靠性，每组条件下测试样品数目不少于15个。

本发明的有益效果是：

1、本发明解决了目前多场条件下微电子产品多场服役特性测试及评价困难的问题。

2、采用本发明不仅可以预测微电子产品的使用寿命，亦可以为微电子产品设计中电流、温度、散热性能等参数的选择提供依据。

附图说明

图1为本发明所用微电子产品多场服役特性测试仪的结构示意图。

图2为本发明所用测试仪中样品托架的结构示意图。

图3为本发明所用测试仪中测试板结构示意图。

图4为实施例1中的CSP互连封装结构产品电阻随测试时间变化曲线。

图5为实施例1中的CSP互连封装结构产品服役寿命的韦伯分析曲线。

图6为实施例1中的CSP互连封装结构产品最大允许电流随工作温度变化曲线（服役寿命＞10万小时）。

图7为实施例2中Cu柱互连封装结构产品服役寿命的韦伯分析曲线。

图中：1-实验箱；2-控制柜；3-温度控制系统；4-电流加载系统；5-信号测试及采集系统；6-温度传感器；7-冷却系统；8-加热器；9-制冷管道；10-透明观察窗；11-风机；12-信号转接板；13-样品支持系统；14底板；15-母板；16-热管；17-散热片；18-专用接口；19-插槽；20-支架。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

本发明力电热多场耦合作用下微电子产品可靠性测试方法是基于微电子产品多场服役特性测试仪来实现的。如图1所示，微电子产品多场服役特性测试仪包括实验箱（1）、控制柜（2）、温度控制系统（3）、加热器（8）、冷却系统（7）、信号测试及采集系统（5）、电流加载系统（4）和样品支持系统（13）；温度控制系统（3）、信号测试及采集系统（5）、电流加载系统（4）和冷却系统（7）设置于控制柜（2）内。

所述加热器（8）设置于实验箱（1）内部下侧，所述冷却系统（7）经制冷管道（9）接入实验箱（1）内部，所述温度控制系统（3）与所述加热器（8）和冷却系统（7）相连接，实验箱（1）内部上侧安装温度传感器（热电偶）（6），温度传感器（6）与所述温度控制系统（3）相连，用于将测得的实验箱（1）内部的温度传递给所述温度控制系统（3）。

所述样品支持系统（13）置于实验箱（1）内部，包括样品托架和测试板，测试板包括母板（15）和子板；所述母板（15）插接固定于样品托架上的专用接口（18）内，母板（15）上设置若干插槽（19），子板分别插接于母板（15）上的各个插槽（19）内，测试样品与子板电连接。

所述电流加载系统（4）通过测试板上的子板与测试样品电连接，用于对待测微电子产品施加电流载荷；

所述信号测试及采集系统（5）通过测试板上的子板与测试样品电连接，用于测试和采集待测微电子产品的电流、电压、电阻和温度信号，采用多通道数字采集方式进行数据测量及存储，存储的数据传输到计算机中存储以待后续分析和处理，且可根据阻抗变化实现样品失效报警；测试仪的温度控制、电流加载和信号测试均由计算机统一控制。

所述样品托架包括底板（14）、热管（16）、散热片（17）和专用接口（18）；样品托架底板（14）采用不锈钢或石英玻璃制成，底板（14）上设有若干热管（16），底板（14）的一面上的一侧设置专用接口（18）用于插接母板（15），专用接口（18）与母板（15）插入的一端相配合；底板的另一面上设置若干散热片（17）用于对测试样品散热。

所述实验箱（1）包括箱体外壳、保温层、支架（20）以及能够打开和关闭的箱门，保温层在外壳内侧用于维持实验箱（1）内部温度，支架（20）置于实验箱（1）中部用于放置样品支持系统（13），箱门上设置透明观察窗（10）。实验箱（1）侧壁上装有信号转接板（12），测试时输入的电流载荷和输出的测试信号均经由信号转接板（12）转接，并通过导线与控制柜（2）内的相应装置连接；实验箱（1）内顶部还设置保持箱内温度分布均衡的风机（11）。

所述测试仪工作温度范围为-50~200℃，升温速度10~50℃/分钟，降温速度10~50℃/分钟，温度循环周期15~120分钟，测试电流密度为1×10³~9.9×10⁴A/cm²。

利用上述测试仪对力电热多场耦合下微电子产品可靠性测试时操作方法如下：

测试时首先测量待测样品的电阻，测试中以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据，电阻变化阈值范围设定为样品初始电阻的10-50%。然后将待测样品电连接到测试子板上。再将测试子板逐一插入到测试母板（15）的插槽(19)中。为保证数据的完整性和可靠性，每组条件下测试样品数目不少于15个。

将测试母板（15）通过专用接口（18）连接到样品托架上，连接电流输入输出引线和测试引线到转接板（12）内侧。将电流加载系统（4）连接到转接板（12）外侧的电流输入输出端子（单一热循环条件下的测试不连接电流加载系统），将信号测试及采集系统（5）连接到转接板（12）外端的测试信号端。将温度控制系统（3）按照预设温度（-50°C～200°C可调）模式设置（恒温或温度循环模式，温度循环方式模式中需要设置温度循环最低温度、最高温度、保温时间、升温速度和降温速度），关闭实验箱门，启动风机（11），打开冷却系统（7）或/和加热器（8）。待实验箱（1）内温度达到设定温度并稳定后，电流加载系统（4）和信号测试及采集系统（5）测量并记录试样电阻的变化，记录样品电阻变化超过阈值的时间（失效时间）。当80%样品失效后终止实验。采用韦伯分析给出产品的服役寿命。

实施例1

CSP互连封装结构试样多场耦合条件下的服役寿命预测，步骤如下：

（1）测量待测样品的电阻，设定电阻变化阈值为样品初始电阻的30%。

（2）作为对比试验的单一场电迁移实验在恒温环境下实施。将CSP样品分为9组，每组15个试样，试样采用串联方式分别连接到恒流源上。测试在三组不同电流密度和三组不同温度下进行，电流密度分别为4.4×10³A/cm²，4.7×10³A/cm^2-，5.0×10³A/cm²。实验环境温度分别为30°C，50°C，70°C。测试中以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据。

（3）作为对比试验的单一热循环实验在温度循环载荷下实施，选用1组15个CSP样品。测试温度循环范围为-40~125°C，升温速度15°C/分钟；降温速度15°^-C/分钟，保温时间20分钟，温度循环周期62分钟。测试中以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据。

（4）多场耦合条件下的可靠性测试在温度循环载荷和电流载荷耦合作用下实施。将CSP样品分为3组，每组15个试样，试样采用串联方式分别连接到恒流源上。测试在三组不同电流密度下进行，分别为2.4×10³A/cm²，2.7×10³A/cm²，3.0×10³A/cm²。测试温度循环范围为-40~125°C，升温速度15°C/分钟；降温速度15°C/分钟，保温时间20分钟，温度循环周期62分钟。测试中以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据。

（5）根据测试结果，依据公式（1）（2）（3）进行计算，即可得出相关实验参数及加速因子，具体为：根据步骤（2）测试结果和公式（1）得出电迁移指数前因子A、电流常数n和电迁移激活能Q_em；根据步骤（3）测试结果和公式（2）得出非弹性剪切应变范围Δγ₀，本实施例公式（2）中疲劳延性指数c和疲劳延性系数ε_f由文献查得（W.Engelmaier,FatigueLifeofLeadlessChipCarrierSolderJointsDuringPowerCycling,IEEETransactionsonComponentsHybridsAndManufacturingTechnology6:3(1983)232-237）；根据步骤（4）测试结果和公式（3）得出指数前耦合因子β和电流耦合因子l；将上述得到相关实验参数及加速因子代入公式（1）并进而根据公式（1）计算出不同电流密度和温度循环条件下CSP互连封装结构电子产品的服役寿命。

本实施例中CSP互连封装结构产品电阻随测试时间变化曲线如图4所示（多场耦合条件下）。

本实施例中CSP互连封装结构产品服役寿命（多场耦合条件下）的韦伯分析曲线如图5所示。

本实施例中CSP互连封装结构产品最大允许电流（多场耦合条件下）随工作温度变化曲线（服役寿命＞10万小时）如图6所示。

实施例2

Cu柱互连封装结构试样多场耦合条件下的服役寿命预测，步骤如下：

（1）测量待测样品的电阻，设定电阻变化阈值为样品初始电阻的20%。

（2）作为对比试验的单一场电迁移实验在恒温环境下实施。将Cu柱样品分为9组，每组20个试样，试样采用串联方式分别连接到恒流源上。测试在三组不同电流密度和三组不同温度下进行，电流密度分别为1.1×10⁴A/cm²，1.2×104⁴A/cm²，1.3×10⁴A/cm²。实验环境温度分别为30°C，50°C，70°C。测试中以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据。

（3）作为对比试验的单一热循环实验在温度循环载荷下实施。选用1组20个Cu柱样品。测试温度循环范围为-40～125°C，升温速度15°C/分钟；降温速度15°C/分钟，保温时间20分钟，温度循环周期62分钟。测试中以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据。

（4）多场耦合条件下的可靠性测试在温度循环载荷和电流载荷耦合作用下实施。将Cu柱样品分为3组，每组20个试样，试样采用串联方式分别连接到恒流源上。测试在三组不同电流密度下进行，分别为7.2×10³A/cm²，8.1×10³A/cm²，9.0×10³A/cm²。测试温度循环范围为-40～125°C，升温速度15°C/分钟；降温速度15°C/分钟，保温时间20分钟，温度循环周期62分钟。测试中以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据。

（5）根据测试结果，依据公式（1）（2）（3）进行计算，即可得出相关实验参数及加速因子，具体为：根据步骤（2）测试结果和公式（1）得出电迁移指数前因子A、电流常数n和电迁移激活能Q_em；根据步骤（3）测试结果和公式（2）得出非弹性剪切应变范围Δγ₀，本实施例公式（2）中疲劳延性指数c和疲劳延性系数ε_f由文献查得（W.Engelmaier,FatigueLifeofLeadlessChipCarrierSolderJointsDuringPowerCycling,IEEETransactionsonComponentsHybridsAndManufacturingTechnology6:3(1983)232-237）；根据步骤（4）测试结果和公式（3）得出指数前耦合因子β和电流耦合因子l；将上述得到相关实验参数及加速因子代入公式（1）并进而根据公式（1）计算出不同电流密度和温度循环条件下Cu柱互连封装结构电子产品的服役寿命。本实施例中Cu柱互连封装结构产品服役寿命的韦伯分析曲线如图7所示（多场耦合条件下）。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种力电热多场耦合下微电子产品可靠性测试方法，其特征在于：该方法首先在特定实验条件下测试微电子产品单场电迁移、单一热循环和力电热多场耦合条件下样品的平均失效时间，然后通过多场耦合条件下的服役寿命评价公式及测试中得到的参数，计算出不同电流密度和温度循环条件下微电子产品的服役寿命；具体包括如下步骤：

(1)测量待测样品的初始电阻，设定电阻变化阈值；

(2)在恒温条件下对测试样品施加电流载荷，测试样品的电阻变化；以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据，测试样品的平均失效时间MTTF；根据公式(1)得出电迁移指数前因子A、电流常数n和电迁移激活能Q_em；

$MTTF={\mathrm{Aj}}^{-n}\exp \left(\frac{Q_{em}}{kT}\right)---\left(1\right)$

其中：j为电流密度，k为玻尔兹曼常数，T为温度；

(3)在温度循环载荷下测试样品的电阻变化；以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据，测试样品的平均失效时间N_f0；然后根据公式(2)得出非弹性剪切应变范围Δγ₀；

$N_{f0}=\frac{1}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\Δ\γ}}_0}{2{\mathrm{\ϵ}}_f}\right)}^{1/c}---\left(2\right)$

其中，疲劳延性指数c和疲劳延性系数ε_f为由材料自身决定的常数；

(4)在温度循环载荷和电流载荷耦合作用下测试样品的电阻变化；以样品电阻变化超过阈值为样品失效判据，测试样品在多场耦合条件下的平均失效时间N_f；然后根据公式(3)得出指数前耦合因子β和电流耦合因子l；

其中，Δt为温度循环周期；

(5)计算微电子产品的服役寿命：根据公式(3)计算不同电流密度和温度循环条件下微电子产品的服役寿命；

所述特定实验条件是指：测试电流密度范围为1×10³～9.9×10⁴A/cm²；测试温度范围为-50～200℃，升温速度10～50℃/分钟，降温速度10-50℃/分钟，温度循环周期15～120分钟；温度循环的最低温度-50～20℃可调，保温时间1～45分钟可调；温度循环的最高温度60～200℃可调，保温时间1～45分钟可调。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：步骤(2)中所述恒温条件是指温度在-50～200℃范围内并保持某一温度不变。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：步骤(1)中所述电阻变化阈值的设定范围为样品初始电阻的10～50％。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：步骤(2)‐(4)中每组条件下测试样品数目不少于15个。