Corrosion reliability of microelectronic devices. Pt. 1, Fundamentals

• Autorzy: Trzaska Z.

Warianty tytułu

PL

Odporność korozyjna urządzeń mikroelektronicznych. Cz. 1, Podstawy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this first part of the paper we briefly summarize the current understanding of corrosion-induced degradation and its effect on the reliability of microelectronic devices. As today microelectronic products have been widely used in all kinds of Industries and in commonly useful household devices the microelectronic industry has become the most important human activity which acts as driving engine for science, technology, manufacturing and overall economy. The quality of microelectronic industry products depends on package types, materials, fabrication and assembly processes, and environmental conditions such as moisture condensation, temperature, residual and thermal stress, ionic and organic contamination, and electrical bias. Electronic materials, when exposed to moisture environment containing electrolyte solutions and under tensile stress, risk of corrosion. Corrosion in microelectronics is responsible for more than 50% of device damages. It is governed by the electrochemical principles for aqueous corrosion. There are some characteristics unique to corrosion in microelectronics. These devices undergo corrosion damage because the two conditions required for a significant vulnerability can certainly exist: susceptible metallic materials and aggressive environments. Metals are often selected because of their electrical properties, but not their resistance to corrosion. The enormous cost of corrosion to microelectronic products can be significantly reduced through effective corrosion testing and monitoring. Mathematical models of the electrochemical processes and results of performed experiments will be presented in the second part of this paper [34].

PL

Elementy i układy mikroelektroniczne są obecnie powszechnie stosowane we wszystkich zarówno gałęziach przemysłu i gospodarki narodowej, jak też w codziennym użytkowaniu. Jakość wyrobów, w których stosowane są układy mikroelektroniczne zależy od wielu czynników takich jak rodzaj upakowania, metoda wytwarzania oraz warunki środowiska, w którym są użytkowane a w tym wilgotność, temperatura, naprężenia mechaniczne i cieplne, skażenia organiczne i jonowe, a także napięcia elektryczne. W przypadku eksploatacji wyrobów mikroelektronicznych w środowiskach wilgotnych, które zawierają roztwory elektrolitów a także w obecności naprężeń narażone są na ryzyko wystąpienia korozji. Najczęściej korozja stanowi przyczynę ponad 50% wszystkich uszkodzeń, jakich doznają wyroby mikroelektroniczne. Podstawowymi rodzajami korozji są korozja chemiczna i elektrochemiczna, które często są wzajemnie sprzężone. Jednakże w przypadku układów mikroelektronicznych główną rolę odgrywa korozja elektrochemiczna, która powodowana jest przez przepływ prądu w powstających mikroogniwach elektrochemicznych. Intensywność tych mikroogniw zależy od użytych materiałów i rodzaju środowiska eksploatacji danego urządzenia, które decydują o jego odporności na korozje, a w konsekwencji o podatności na określone uszkodzenia. Warunkiem do tego jest podatność materiałów na korozję oraz stopień agresywności korozyjnego środowiska. Najczęściej materiały są projektowane pod względem ich właściwych parametrów elektrycznych bez uwzględniania odporności korozyjnej. Poprzez odpowiednia analizę oraz monitoring można znacznie ograniczyć straty gospodarcze wywołane korozją elementów i urządzeń mikroelektronicznych. Podstawy tego zagadnienia są przedstawione w niniejszym artykule.

Słowa kluczowe

EN

microelectronic devices; electrochemical corrosion; corrosion induced failures; corrosion reliability; bond-pad resistance

PL

układy mikroelektroniczne; korozja elektrochemiczna; uszkodzenia powodowane korozją; odporność korozyjna; rezystancja połączeń

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 51, nr 3
• Strony: 128--129
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz.

Twórcy

autor

Trzaska Z.

• Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych i Systemów Informatyczno-Pomiarowych

Bibliografia

• [1] Marcus Ph.: Corrosion Mechanism in Theory and Practice. (2nd ed.), CRC Press. New York, 2002.
• [2] Kelly R. G., Scully J. R., Shoesmith D. W., Buchheit R. G.: Electrochemical Techniques in Corrosion Science and Engineering. Marcel Decker AG, Basel, 2004.
• [3] Perez N.: Electrochemistry and Corrosion Science. Kluwer Academic Publisher, Basel, 2004.
• [4] Schweitzer Ph. A.: Encyclopedia of Corrosion Technology, 2nd ed. revised and expanded. Marcel Decker AG, Basel, 2004.
• [5] Roberge P. R.: Handbook of Corrosion Engineering. McGraw-Hill Companies, Inc., New York, 2000.
• [6] Harper Ch. A.: Integrated Circuit, Hybrid and Multichip Module Package Design Guidelines: A Focus on Reliability Electronic Materials and Processes Handbook. McGraw-Hill, New York, 2005.
• [7] Viswanadham P.: Corrosion and Related Phenomena in Portable Electronic Assemblies. ASM, Nokia Research Center, Sridhar Canumalla, 2006.
• [8] Hillman C.: A Novel Approach to Identifying and Validating Electrical Leakage in Printed Circuit Boards through Magnetic Current Imaging. University of Maryland, 2004.
• [9] Trzaska M., Trzaska Z.: Electrochemical Impedance Spectroscopy in Materials Science, (in Polish). Publishing Office of Warsaw University of Technology, Warsaw, 2010 (in print).
• [10] Tan C. W., Daud A. R., Yarrno M. A.: Corrosion study at Cu-Al interface in microelectronics packaging. Applied Surface Science, vol 191, no. 1-4. 2002, pp. 67-73.
• [11] Datta M., Osaka T., Schultze W.: Microelectronic packaging. CRC Press, Boca Raton, 2005.
• [12] Hillman C., Castillo B., Pecht M.: Diffusion and absorption of corrosive gases in electronic encapsulants. Microelectronics Reliability. vol. 43. no. 4, 2003, pp. 635-643.
• [13] Seng Y. L.: Reliability of microelectronic packages with tin-plated copper leads under high humidity operating environment. Electronics Packaging Technology Conference, EPTC, vol. 8, no. 6-8, 2006, pp. 894-899.
• [14] Ekekwe N.: Electrochemical Impedance Spectroscopy: Corrosion Behavior Application: Theory, Modeling, and Experimentation, VDM Verlag, Saarbrucken, Germany, 2009.
• [15] Trzaska M.: Electrical and thermal conductivities of nano- and microcrystalline copper and composite thin-layer electrodeposits. Elektronika nr 3, 2009, ss. 109-115.
• [16] Trzaska M., Trzaska Z.: Control of Copper Thin-layer Coatings with Electrochemical Impedance Spectroscopy, Proc. ACC'07, New York, (2007), 2837-2843.
• [17] Trzaska Z.: Analysis and Design of Electric Circuits. (in Polish), Publishing Office of Warsaw University of Technology, Warsaw, 2010 (in print).
• [18] Trzaska Z.: Characterization of Particular Circuit Elements Requisited for Studying the Electrochemical Processes, 8th International Workshop "Computational Problems of Electrical Engineering (CPEE)", Wilkasy, Poland, September, 14-16, 2007.
• [19] Minges M. L.: Electronic Materials Handbook: Packaging. ASM International. Handbook Committee.
• [20] Ernst K. H., Grman D., Hauert R., Holländer E.: Fluorine-Induced corrosion of aluminium microchip bond pads: An XPS and AES analysis. Surface and Interface Analysis vol 21. 2004. no 10, pp. 691-696.
• [21] Vargas O. L, Valdez S. B., Veleva M. L., Zlatev K. R., Schorr W. M., Terrazas G. J.: The corrosion of silver in indoor conditions of an assembly process in the microelectronics industry. Anti-Corrosion Methods and Materials, vol. 56, 2009, no. 4, pp. 218-225.
• [22] Bogorosh A., Voronov S., Larkin S., Karachiun V., Visniakov N., Novickij J., Scekaturoviene D.: Modeling of Defects in Electronic Navigation Devices Operating in Extreme Conditions. Research Journal of Vilnius Gediminas Technical University, Aviation, vol. 12, 2008, no.1, pp. 3-9.
• [23] Card J. C.. Cannon R. M.. Saiz E.. Tomsia A. P.. Ritchie R. O.: On the physics of moisture-induced cracking in metal-glass (copper-silica) interfaces. J. Appl. Phys. Vol. 102, 053516 (2007).
• [24] Kuczmik J. et al.: Analysis of degradation mechanisms in lattice-matched InAlN/GaN highelectron-mobility transistors. Journal of Applied Physics, vol. 106, 2009, pp.124503-124510.
• [25] Wu L., Rochus V., Noels L., Golinval J. C.: Influence of adhesive rough surface contact on microswitches. Journal of Applied Physics. vol. 106, 2009. pp. 113502-113512.
• [26] Downey B. P., Datta S., Mohney S. E.: Numerical study of reduced contact resistance via nanoscale topography At metal semiconductor interfaces. Semicond. Sci. Technol. vol. 25, 2010, pp. 015010-015014.
• [27] Pecht M., Lall P., Whelan S. J.: Temperature dependence of microelectronic device failures. Quality and Reliability Engineering International. vol. 6. 2007. no. 4, pp. 275-284.
• [28] Lakshminarayanan V.: Minimizing Failures in Electronic Systems by Design. EDN, August 3, 2000.
• [29] Baum C. E., Stone A. P., Tyo J. S.: Ultra-Wideband Short-Pulse Electromagnetics 8. Springer New, York, 2007.
• [30] Jourdan A., Morel B.: Recent developments in fluorine chemistry for microelectronic applications: Some examples at Comurhex. Journal of Fluorine Chemistry, vol. 107, no. 2. 2001, pp. 255-264.
• [31] Frankel G. S., Braithwaite J. W.: Corrosion of Microelectronic and Magnetic Data-Storage Devices. Chapter 15 in Corrosion Mechanisms in Theory and Practice, 2nd edition, P. Marcus and J. Oudar, ed., Marcel Dekker, Inc., New York, 2002.
• [32] Braithwaite J., Sorensen N. R.t, Robinson D., Chen K. S. Bogdan C.: A Modeling Approach for Predicting the Effects of Corrosion on Electrical-Circuit Reliability. Report SAND2003-0359, Sandia National Laboratories Albuquerque, February 2003.
• [33] Klinger D. J.: Humidity acceleration factor for plastic packaged electronic devices. Quality and Reliability Engineering International, vol. 7, no. 5. pp. 365-370.
• [34] Trzaska Z.: Corrosion reliability of microelectronic devices. Part II: Models and experimental results. Elektronika, 2010, no 4, (in print).