【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及失效评估，特别涉及一种tsv-rdl晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统。
技术介绍
1、tsv技术作为三维集成电路的重要组成部分，在实现器件微小化和功能增强方面发挥着关键作用，然而tsv的热机械可靠性问题也日益显著，如热应力(等效热应力、正应力、切应力、弯曲应力)、弹塑性应变、疲劳寿命、蠕变、cu凸量、裂纹等。影响tsv热机械可靠性的主要因素包括温度梯度、热膨胀系数不匹配、升温或降温幅度和材料屈服强度等。以tsv填充cu材料为例，cu、si和sio2的热膨胀系数分别为16.5、2.3和0.5ppm/℃，不同的温度条件下(如退火工艺温度约为400-425℃，服役温度约为-25-125℃)，cu的自由膨胀或收缩会受到si以及sio2的约束，由此产生的热应力会导致cu与周围材料的变形，导致tsv-cu和si内部产生的热应力增大。tsv-cu变形形式一般为胀出(退火后tsv-cu相对于si基体的高度高于退火前的现象)和缩进(退火后tsv-cu相对于si基体的高度低于退火前的现象)。
2、如图1所示，图1中(a)中为dutta等通过扫描电子显微镜分析应力前后对比，发现在425℃热载荷应力下tsv-cu中cu有明显的胀出行为；而在-25-125℃温度循环后填充材料cu出现了缩进现象，如图1中(b)。已有技术通过扫描电子显微镜、原子力显微镜和电子背散射衍射等技术对tsv的突出现象进行了分析，发现突出高度与退火温度呈线性增加关系。此外，还使用纳米压痕技术对tsv的材料性能进行了测量，并发现硬度、屈服强度和弹性模量随着退
3、有关于tsv电应力可靠性的研究一般集中在电迁移、电阻变化和疲劳、绝缘层的介质击穿等方面。其中tsv电迁移是造成tsv电应力可靠性的关键因素，tsv电迁移是指在电应力作用下产生的电迁移现象会导致填充金属内部电流密度的非均匀分布，这有可能在局部区域引起过热，并触发电化学反应，进而使填充金属中产生空洞和晶格位错，损害tsv导电性和整体可靠性。tsv的电迁移现象受到多种因素的影响，包括但不限于电流密度大小、金属材料性质以及温度等。高电流密度和高温会加剧金属的电子迁移现象，不同金属材料的电迁移效应也不一致。此外，tsv的尺寸、形状和布局，在制备和工作过程中产生的应力，tsv的制备工艺参数(如电镀条件和退火温度)，对电迁移效应的产生同样具有重要影响。
4、tsv电迁移下的可靠性研究，主要集中在寿命预测、微观机理和失效分析。jiwoo等通过有限元方法研究了tsv结构和相邻金属导线的电迁移问题。研究结果表明，tsv的尺寸、金属层和导线相对tsv中心的位置等对电迁移寿命有重要影响，基于这些研究提出了关于3d芯片设计中如何减少电迁移相关故障的结论和指导，包括tsv的尺寸选择、导线位置设计和电流密度控制等方面。陈照晖等通过加速试验获得了tsv电流密度和温度梯度等的详细分布情况，并基于此分布完成了对相对原子浓度分布的计算。研究结果显示，出现应力梯度引发tsv电迁移问题的位置分布于焊盘和cu柱连接的位置，或者前者的边缘地带。gousseau等基于电子背散射衍射与扫描电子显微镜发现晶粒和晶界对空洞的形成和演变起着重要作用，tsv表面晶界处经常是空洞的产生位置，晶界与晶粒尺寸会对空洞的扩张造成影响。一些cu“小岛”出现在空洞形成后的中间位置，这些cu“小岛”之所以会产生是因为电迁移及绝缘层的不连续。
5、针对tsv结构的电路优化，xu等通过建立tsv基准对结构用于模拟(利用3d全波电磁(em)模拟器、spice模拟器和经验计算公式来研究tsv的寄生参数。他们发现全波模拟提取的tsv参数值与经验计算公式的参数值，发现两者结果非常接近；spice模型对于回波损耗和插入损耗的幅度和相位都有很好的匹配；在20ghz时，绝缘层厚度在信号增益中起到主要作用。
6、bose等提出了采用电源和接地tsv分布式布局的电源分配网络设计，该设计采用电源和接地tsv分布式布局，以减轻电迁移对混合内存立方体架构性能的不利影响，可以大幅度提高此架构的寿命。
7、对于tsv在电应力的作用下产生的绝缘层可靠性问题，yao-jen chang等研究了使用cu填充tsv和cu/sn-bcb混合粘合技术的3d集成方案中的tsv泄漏电流问题。通过电性测试和光学束诱导电阻变化分析技术，他们识别后背处理过程中钛与硅接触形成的金属半导体结是泄漏电流的来源。从而提出了优化后的后背处理方法,包括缩小开口和增厚保护层等措施。使用优化后的工艺后，测得tsv的泄漏电流明显下降，并通过x射线透射电子显微镜观察验证内部结构质量，表明优化后的工艺有效解决了3d集成方案中的tsv泄漏问题。李凯等开展了tsv界面sio2绝缘层可靠性研究。阐明了温度循环对tsv热致漏电影响的机制，分析了单盲孔tsv和双盲孔tsv在电应力下电致击穿失效模式的差异及影响因素，验证了e模型是tsv界面sio2绝缘层最适用的时间依赖击穿(time dependent dielectricbreakdown，tddb)寿命模型。他们通过实验和仿真方法,系统地研究了tsv界面sio2绝缘层在不同应力条件下的可靠性问题，对提高tsv技术的可靠性有重要意义。
8、nakamura等人研究了tsv侧壁粗糙度对泄漏电流的影响。通过bosch刻蚀和直接刻蚀得到两种不同侧壁粗糙度的tsv样品。实验结果显示，bosch刻蚀产生的tsv样品侧壁有明显的阶梯状粗糙度，其初期和经过热处理后泄漏电流均高于直接刻蚀样品。tem观察发现，bosch刻蚀样品的sion绝缘层中存在周期性的裂纹，与侧壁粗糙度一致。fem模拟结果表明,侧壁粗糙度会在sion层产生应力集中，从而导致裂纹形成，所以直接刻蚀法可以获得平滑的tsv侧壁,更有利于提高可靠性。
9、yunlong li等比较了两种不同的铜障壁材料(物理气相沉积技术制备的钽薄膜和钛薄膜)在tsv中的绝缘层可靠性。他们使用了两个应力模式(铜受限模式和铜驱动模式)来分离障壁完整性对绝缘层可靠性的影响。通过控制iv和tddb测试，他们发现物理气相沉积技术制备的钛薄膜作为障壁材料优于钽薄膜对于钽薄膜障壁，在铜驱动模式下观察到tddb寿命的双模态分布,这与障壁缺陷引起的绝缘层损坏和内在绝缘层损坏的竞争有关。
10、tsv电迁移可靠性评价方法一般集中是加速寿命试验、微观结构分析、仿真建模与模拟和统计学分析等方法。
11、在tsv电迁移试验方面，orio等研究了在铜tsv结构中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种TSV-RDL晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，包括上位机、精密电源、可编辑控制器、直流电压计以及继电器阵列；
2.如权利要求1所述TSV-RDL晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述样品连接端设置为多个，每个样品连接端作为一个工位，每个工位与所述精密电源组成并联回路，每个工位串联一个取样电阻，所述可编程控制器控制所述继电器阵列将每个取样电阻与直流电压计形成独立的回路，通过直流电压计获取每个工位的电流数据变化情况。
3.如权利要求1所述的TSV-RDL晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述样品连接端设置为多个，每个样品连接端作为一个工位，所述精密电源与各个工位串联形成串联回路，每个工位的电流相同，所述可编程控制器控制所述继电器阵列将所述直流电压计接入到每个工位的两端，所述直流电压计按照工位顺序依次巡检，得到每个工位的电压变化情况。
4.如权利要求1所述的TSV-RDL晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述上位机包括交互模块、数据采集模块以及寿命计算模块；其中，所述交互模块用于显示用
5.如权利要求4所述的TSV-RDL晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述数据采集模块用于根据交互模块馈送的设定值，结合实时采集到的样品电压和/或电流数据，判断当前时刻的样品电压和/或电流数据是否已经变化为设定值，若是，则退出试验，若否，则持续记录样品电压和/或电流数据变化直至达到设定值。
6.如权利要求4所述的TSV-RDL晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述寿命计算模块包括：
7.如权利要求6所述的TSV-RDL晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述寿命公式拟合子模块通过如下方式拟合得到寿命公式：
8.如权利要求2或3所述的TSV-RDL晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述可编程控制器依次控制每个工位的继电器，使得直流电压计逐个接入每个工位，进行电压测量；其中，所述可编程控制器通过如下步骤依次控制每个工位的继电器：
9.如权利要求2或3所述的TSV-RDL晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述可编程控制器中配置多个逻辑运算网络，所述逻辑运算网络包括接触器、线圈和定时器，所述多个逻辑运算网络用于控制每个工位的电压测量。
10.如权利要求9所述的TSV-RDL晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述多个逻辑运算网络包括第一网络、第二网络、第三网络和第四网络；其中：
...【技术特征摘要】
1.一种tsv-rdl晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，包括上位机、精密电源、可编辑控制器、直流电压计以及继电器阵列；
2.如权利要求1所述tsv-rdl晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述样品连接端设置为多个，每个样品连接端作为一个工位，每个工位与所述精密电源组成并联回路，每个工位串联一个取样电阻，所述可编程控制器控制所述继电器阵列将每个取样电阻与直流电压计形成独立的回路，通过直流电压计获取每个工位的电流数据变化情况。
3.如权利要求1所述的tsv-rdl晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述样品连接端设置为多个，每个样品连接端作为一个工位，所述精密电源与各个工位串联形成串联回路，每个工位的电流相同，所述可编程控制器控制所述继电器阵列将所述直流电压计接入到每个工位的两端，所述直流电压计按照工位顺序依次巡检，得到每个工位的电压变化情况。
4.如权利要求1所述的tsv-rdl晶圆级封装的电致失效可靠性评价系统，其特征在于，所述上位机包括交互模块、数据采集模块以及寿命计算模块；其中，所述交互模块用于显示用户交互界面，所述交互模块与所述数据采集模块连接，用于获取所述数据采集模块采集的电流和/或电压数据，并控制所述数据采集模块，所述寿命计算模块用于评估tsv寿命并馈送至所述交互模块。
5.如权利要求4所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈思，
申请(专利权)人：中国电子产品可靠性与环境试验研究所工业和信息化部电子第五研究所中国赛宝实验室，
类型：发明
国别省市：
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