Механизмы коррозии и окисления металлизации

Проникновение влаги в герметизированный корпус, адсорбция ее на поверхности металлизации через поры и трещины в защитных покрытиях, а также наличие ионных загрязнений на поверхности кристалла способствует возникновению коррозии металлизации, носящей, как правило, электрохимический характер. При достижении относительной влажности внутри корпуса около 60% создаются благоприятные условия для адсорбирования на поверхности кристалла достаточного количества влаги, обеспечивающей высокую электролитическую проводимость.

Как уже было сказано, при производстве приборов имеется большое количество источников загрязнения поверхности кристалла ионами примеси. В первую очередь это загрязнения, поступающие в результате обработки пластин. Далее, это атмосфера герметизации, детали корпуса, клеевые составы, применяемые для посадки кристалла и пластмасса, используемая для герметизации приборов.

Наиболее опасным для Al являются ионы натрия, калия и хлора. Из-за амфотерности алюминий может коррозировать как в кислой, так и в щелочной среде. Как правило, в большей степени подвергаются коррозии металлические электроды, находящиеся под (–) потенциалом. Они разрушаются под действием (+) заряженных ионов. Такому же воздействию подвергаются (+) заряженные электроды, взаимодействуя с (–) ионами. Однако скорость коррозии (+) заряженных участников ниже, т. к. на них одновременно с коррозией идет активный процесс образования слоя окиси алюминия, препятствующий дальнейшему его разрушению. При наличии на поверхности кристалла ионов хлора коррозия положительных участков металлизации значительно ускоряется вследствие большой проникающей способности иона хлора сквозь толстую пленку окиси алюминия. Скорость коррозии существенно зависит от напряжения, подаваемого на схему. Разности потенциалов 5В и более достаточно для того, чтобы возникла интенсивная коррозия. Скорость коррозии зависит также от расстояния между электродами, температуры окружающей среды и концентрации ионов примеси на поверхности кристалла. Анализ отказов, возникающих в результате коррозии, показывает, что последняя возникает и развивается в первую очередь на границах зерен с образованием сплошных микротрещин, приводящих к обрыву металлизации. Применение стекла с повышенным содержанием фосфора значительно увеличивает коррозию, т. к. избыточный фосфор, взаимодействуя с водой, образует фосфорную кислоту, которая усиливает коррозию металлизации. Снижение весовой концентрации фосфора в фосфоросиликатном стекле, контактирующем с алюминиевой металлизацией до 5%, увеличивает среднюю наработку до отказа из-за коррозии более чем на три порядка. [9]

Параллельно с механизмом электродиффузии и электрохимической коррозии действует механизм деградации механических пленок, связанный с окислением Al, что ведет к увеличению омического сопротивления токоведущих дорожек. В результате роста окисной пленки на поверхности проводящих дорожек и образование окисных межзеренных прослоек, уменьшается объем и эффективное поперечное сечение проводника и, как следствие, увеличивается удельное сопротивление материала. Ухудшение условий прохождения электрического тока по токоведущим дорожкам нарушает температурный режим прибора, приводя к локальным перегревам, усилению электродиффузии и росту вероятности отказа за счет обрыва металлизации.

Кроме того, локальный перегрев токоведущих дорожек способствует укрупнению зерен и расстояние их до поперечного размера дорожки. В этих условиях происходит разрыв или отслаивание металлизации из-за больших растягивающих усилий, возникающих в местах разрастания зерен.

Действие данного механизма отказов существенно ослаблено за счет снижения плотности тока, протекающего по токоведущим дорожкам, а также добавлением в металлизацию специальных примесей, например натрия до 1% повышающих температуру рекристаллизации.

Особо опасным местом в ПП структуре является металлизация на ступеньках окисла. (рис. 5)

Рис. 5 Металлизация на ступеньке окисла.

1 – место концентрации напряжений и образование микротрещин.

При напылении вследствие резкого изменения ориентации центров кристаллизации металлическая пленка на ступеньках осаждается неравномерно. В зависимости от соотношения ширины окна, высоты ступеньки и угла, под которым поток напыляемого материала направляется к поверхности подложки, толщина стенки составляет от 15 до 35% от толщины плоской части металлизации. Из-за дефекта затенения в углах ступеньки образуются места с более тонким покрытием, имеющим повышенный уровень механических напряжений, в результате действия которых в них могут образовываться микротрещины. При последующей эксплуатации микротрещины, постепенно разрастаясь и объединяясь, приводят к обрыву металлизации.

Дефекты в окисле в виде микротрещин, проколов, неровностей края окисла, таких как вырывы, при осаждении металлических пленок на его поверхности могут приводить к коротким замыканиям активных областей в полупроводниковом кристалле и к закорачиванию проводников при многослойной металлизации. В случае несквозных трещин и проколов в слое окисла дефекты металлизации проявляются при последующей эксплуатации приборов в аппаратуре. [6]

Специальная часть

Теоретическая часть