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为什么集成电路通过大电流或者超过工作温度会

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为什么集成电路通过大电流或者超过工作温度会烧毁,烧毁的是硅片,PN结还是封装?


封装前的硅片(wafer/silicon die)应该是包含掺杂注入热过程这些形成内部结构的工艺步骤和contact/via/Metal这些形成金属互联的步骤,所以题主把硅片和pn junction分开有些牵强和生硬。

最容易想到的是pn结会发生击穿,不论是punch through, avalanche,还是齐纳。但我想说的是仅仅是breakdown不能构成device的failure。很多时候device都会在breakdown的时候工作,以前为了向客户展示我们设计的power MOSFET的reliability,我们会将device置于breakdown的条件下持续run一个月。取决于发生breakdown的位置,设计得好的MOSFET可以经受很长时间的breakdown。 对于silicon failure真正有意义的是SOA(safe operation area). 这是个比较复杂的概念,是经过大量的failure analysis之后得到的,考虑了breakdown voltage,max current, junction max temperature, thermal resistance等概念。简单的说就是我们不能只关心击穿电压,必须配合电流及使用环境温度,才能让silicon failure。

第二种Device failure出现在Contact / Via / Metal这些layer上。 因为金属互连线都存在尺寸的限制,所以对于导电电流也存在限制。 一定粗细的金属线能承受的电流是确定的,超过这个电流大小就会烧断,就像日常生活中的熔丝一样。这也是为什么大家很多时候偏向使用cooper / tungsten siliside (原来这货的中文叫做“乌龟”合金) 这些材料而不愿去用Al。

再继续往外,下一种Device Failure可能出现在package上。 这些年封装上的进步其实很多时候就是在克服这点,让可以承受的电流更大。 Bond wire这种封装方式越来越不被使用,除了可靠性不佳以外,带来的寄生电容电感电阻(parasitic impedence)都会很大。 QFN,CSP等封装方式可能在以后会占领更多的市场。


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