微波半导体器件可靠性的电子显微分析图文Word文档格式.docx

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材料学

指导教师：

包生祥

20090501

摘要

随着现代电子技术的发展，电子整机系统的工作频率越来越高，微波半导体器件在各领域的应用日益广泛，而在使用过程中出现的质量问题和可靠性问题也日益增多，有些已造成了生产方和使用方的巨大经济损失，直接影响了整机系统的可靠性。

在这种趋势下，如何进一步改善和提高微波半导体器件的可靠性水平已经成为一个不容忽视的问题，并得到越来越普遍的重视。

本论文采用扫描电子显微镜和电子探针能谱仪为主要的研究手段，研究了微波半导体器件的失效分析方法，对微波半导体器件的金铝键合进行了可靠性试验，对肖特基二极管的工艺流程进行监控，对失效的微波半导体器件进行了分析，综合运用电子显微分析方法，找出了失效原因并提出改进措施，取得了如下的成果。

（１）分析样品的制备：

样品的制备应根据试验目的的不同而方法各异，导电性不好的样品，如果观察的重点是元素的组成应选择喷碳；

如果观测的重点是二次电子形貌像则应喷金，同时喷镀的时间根据样品表面的平整度和放大倍数不同而各异。

开封检测时应根据样品的特性选择不同的腐蚀液。

（２）扫描电子显微镜二次电子图像质量的提高：

针对不同的样品，采用各自适当的加速电压；

对于高倍观察，宜选择较小的束斑尺寸而低倍观察则恰好相反；

可以通过导电法、降低电压法和快速观测法来减少荷电效应，由多个影响因素的联合调节才可获得最清晰的二次电子像。

（３）电子探针能谱定量分析结果的改进：

对样品分析时要选择合适的加速电压，分析微区和收集时间，同时避免点分析引入碳污染；

能谱分析时都需要校准，根据样品的不同选择不同的校准样品，使得感兴趣区域能够覆盖所有的谱峰；

运用可视化峰剥离技术能较快识别出重叠谱峰，得到准确的定量分析结果。

（４）微波半导体器件金铝键合可靠性的研究：

通过样品的制备、剪切力测试、切片分析和电子显微分析证实了金属间化合物的消长及空洞的形成机制；

剪切力强度的退化和形成空洞的程度有密切的关系；

空洞的产生，会造成键合点的退化，使Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌ空洞加剧，形成裂痕，导致Ａｕ，ｗｉｒｅ与Ａ１．ｐａｄ分离而失效；

高温存储释放出卤族元素离子形成不稳定铝的卤化物，在Ａｕ与Ａｕ．ＡＩ共晶层间的内表面形成空洞，导致焊点脆弱或开路，塑封料的元素构成也是导致器件失效的原因之一。

（５）微波半导体器件失效样品的案例分析：

从理论和工艺两个方面对器件失效

的主要因素进行了探讨，总结归纳了微波半导体器件的主要失效原因以及产生这些失效原因的机理，在此基础上，针对反映出的问题提出了切实可行的改进措施。

关键词：

器件，可靠性，失效分析，扫描电镜，电子探针能谱仪ＩＩ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｍｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｗｏｒｋｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍａｃｈｉｎｅｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ

ｄｅｃｌｉｎｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍａｃｈｉｎｅｓｙｓｔｅｍｓａｎｄｌｅａｄａｇｒｅａｔｅｃｏｎｏｍｉｃｌｏｓｓｅｓｂｏｔｈｔｈｅｓｕｐｐｌｉｅｓａｎｄｄｅｍａｎｄｓ．Ｈｏｗｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｍｉｃｒｏｗａｖｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ

ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｈａｓａｌｒｅａｄｙｂｅｃｏｍｅａｃｒｉｔｉｃａｌｑｕｅｓｔｉｏｎｒｅｃｅｉｖｉｎｇｅｖｅｒ－ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｅｍｐｈａｓｉｓ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｅｓａｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅａｎｄａｎｅｌｅｃｔｒｏｎｐｒｏｂｅａｓｔｈｅｐｆｉｎＣｉｐａｌｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇａｎｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ

ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ

ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｈａｖｅｆｏｕｎｄｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ：

（１）Ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｓａｍｐｌｅ

ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓＷａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｇｏａｌｓａｎｄｖａｒｉｏｕｓｍｅｔｈｏｄｓ．ｉｔ

ｓｈｏｕｌｄｃｈｏｏｓｅｃａＩｒｂｏｎＩｆｔｈｅｏｂｓｅｒｖｅｄ

ｍａｊｏｒｉｔｙｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｎｅｌｅｍｅｎｔ，ｏｒｃｈｏｏｓｅＡｕｗｈｅｎｔｈｅ

ｏｂｓｅｒｖｅｄｍａｊｏｒｉｔｙｉｓｓｅｃｏｎｄ－ｔｉｍｅｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｅｒｏｇｒａｐｈ，ｐｌａｔｉｎｇａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｄｖａｒｉｏｕｓｄｅｇｒｅｅｓｏｆｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓａｎｄｇｒｏｗｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅｓｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｕｒｆａｃｅ．

（２）Ｔｈｅ

ｍｅｔｈｏｄｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｅｃｏｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｍａｇｅｍａｄｅｂｙＳＥＭ．Ｕｓｅｐｒｏｐｅｒａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓ．Ｆｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｕｎｄｅｒｈｉ曲

ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｓｍａｌｌｓｉｚｅｏｆｓｐｏｔｓｉｚｅｓｈｏｕｌｄｂｅｃｈｏｓｅｎ．Ｆｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｕｎｄｅｒ

ｌｏｗｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｂｉｇｇｅｒｓｉｚｅｏｆｓｐｏｔｓｉｚｅｓｈｏｕｌｄｂｅｃｈｏｓｅｎ．Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｌｏｗｅｒｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｒａｐｉｄｌｙｏｂｓｅｒｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｃｈａｒｇｉｎｇｅｆｆｅｃｔ，ａｎｄｔｈｅｍｏｓｔｃｌｅａｒｉｍａｇｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｍｕｌｔｉ—ａｓｐｅｃｔｓａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ．

（３）Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｎｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ

ａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓａｍｐｌｅｂｙＥｎｅｒｇｙ—ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｐｒｏｂｅ．Ｙｏｕｓｈｏｕｌｄｃｈｏｏｓｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ，

ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ

ａｎｄｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｔｉｍｅｔｏｏｂｔａｉｎａｃｃｕｒａｔｅｒｅｓｕｌｔｓ．Ｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓｎｅｅｄｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｙｏｕｎｅｅｄｃｈｏｏｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｔｏｃａｌｉｂｒａｔｅ．ＦｉｎａｌｌｙｉｔｗｉｌｌｍａｋｅｔｈｅｉｎｔｅｒｅｓｔａｒｅａｔｏＣＯＶｅｒａｌｌｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｐｅａｋ．ＨＰＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｕｌｄｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇｐｅａｋｓａｎｄｂｅｇｉｖｅｎｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓ．

（４）Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｂｏｎｄｉｎｇ

ｂｅｔｗｅｅｎｇｏｌｄａｎｄａｌｕｍｉｎｕｍ．ＩｎｔｈｅＩＩＩ

ｊｏｉｎｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆＡｕａｎｄＡ１，ｔｈｅｇｒｏｗｔｈａｎｄｄｅｃｌｉｎｅｏｆｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓａｎｄ

ｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃａｖｉｔｙａｒｅｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｊｏｉｎｔｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ

ｍｉｃｒｏ－ｃｏｎｔａｃｔａｎｄｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｏｆｗｈｙｔｈｅｇｏｌｄ－ｌｉｎｅｗｏｕｌｄｂｅｓｔｒｉｐｐｅｄ．Ｔｈｅｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｈａｓｃｌｏｓｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｔｈｅｃａｖｉｔｙｆｏｒｍｉｎｇｄｅｇｒｅｅ．Ｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｏｆｃａｖｉｔｙｗｏｕｌｄｆｏｒｃｅｔｈｅｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆ

ｂｏｎｄｉｎｇｐｏｉｎｔ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｆｏｒｍａｃｏｍｐｌｅｔｅｃｒａｎｎｙ．Ｔｈｅ

ｃｒａｎｎｙｗｉｌｌｌｅａｄｔｏｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｓｅｐａｒａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＡｕ・・ｗｉｒｅａｎｄＡ１．．ｐａｄａｎｄｔｈｕｓｆａｉｌｕｒｅ．Ｈｉ曲ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒｃｅｔｈｅｈａｌｏｇｅｎｅｌｅｍｅｎｔｓｉｏｎｒｅａｃｔｅｄｗｉｔｈＡ１．Ｉｎｓｔａｂｌｅａｌｕｍｉｎｕｍｈａｌｉｄｅｓａｒｅ

ｇｅｎｅｒａｔｅｄ，ａｎｄｃａｖｉｔｙｆｏｒｍｓｏｎｔｈｅｉｎｎｅｒｆａｃｅｏｆＡｕａｎｄＡｕ・ＡＩｌａｙｅｒｓ，ｔｈｅｎｗｅｌｄｉｎｇｓｐｏｔｗｉｌｌｂｅｆｒａｇｉｌｅ

ｏｒｏｐｅｎｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆｐｌａｓｔｉｃｐａｃｋａｇｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｆａｉｌｕｒｅ．

（５）Ｆｏｒｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆａｉｌｍｉｃｒｏ—ｗａｖｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｄｅｖｉｃｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｏｆｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｆｒｏｍｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｍａｉｎｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｂａｓｅ

ｏｎｔｈｉｓ，ｓｏｍｅｐｒａｃｔｉｃａｌｉｍｐｒｏｖｅｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｕｓｔｈｅｓａｍｅｍｉｓｔａｋｅｓｗｏｕｌｄｂｅａｖｏｉｄｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｐｒｏｄｕｃｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄ：

Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，Ｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ，ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｅｎｅｒｇｙ

ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ—ｒａｙＳｐｅｃｔｒｕｍＷ

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。

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关于论文使用授权的说明

本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）

签名：

导师签名：

第一章绪论

１．１选题背景与研究目的

２１世纪人类进入了电子信息时代，由于科学技术的迅速发展，无论是军事装备，还是民用系统的电子用品，性能日益先进，结构日益复杂，使用环境也更多变。

不管是军用还是民用的电子产品均要求高可靠性或超高可靠性，进而对每个装置中所使用的微波半导体器件的可靠性都提出了更高的要求【卜４】。

随着微波工程的迅速发展，微波半导体器件在现代电子装备中所起的作用日益重要，已成为科技发展的关键和核心，其可靠性水平对整机系统的重要性是不言而喻的。

在这种发展趋势下，如何进一步改善和提高微波半导体器件的可靠性水平已成为一个不容忽视的问题，并得到越来越普遍的重视。

电子显微分析是微波半导体器件可靠性不可缺少的分析技术【６】。

为了提高微波半导体器件的质量与可靠性，电子显微分析技术不断推陈出新，经过几十年的奋斗采取了诸多有效的方式方法，使得微波半导体器件可靠性得到稳步提高。

但是，我们也应该看到，我国军用微波半导体器件的质量和