一种多方法结合的方法，用于评估离子迁移及其对微电子应用中聚酰亚胺涂层可靠性的影响

《Surfaces and Interfaces》：A Multi-Method Approach to Assess Ionic Migration and Its Impact on the Reliability of Polyimide Coatings in Microelectronic Applications

离子迁移加速聚酰亚胺绝缘层失效的机理研究采用多方法结合策略，通过电化学阻抗谱、激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱及高电压测试，揭示了Ag?、Cu2?、K?离子在湿环境下引发界面电化学反应和局部碱化，导致树枝状导体形成及绝缘性能下降。Weibull分析表明失效为耗损型机制，1D有限元模拟验证了离子迁移与电荷传输的耦合作用。

　　

马克西米利安·迈尔（Maximilian Mayr）|哈桑·萨达特·纳比（Hasan Sadat Nabi）|君特·法菲莱克（Günter Fafilek）

维也纳工业大学（TU Wien）化学技术与分析研究所，奥地利维也纳1060

摘要

有机涂层在微电子器件中的可靠性能对于确保其使用寿命至关重要。然而，暴露在潮湿环境和电应力下会降低绝缘性能，从而显著缩短设备的使用寿命。揭示有机材料及其他高阻抗（HiZ）绝缘材料的失效机制具有挑战性，但却是必要的。尽管离子迁移可能产生不利影响，这一现象仍未得到充分研究。本研究通过系统地探讨周围环境中的离子污染物在加速绝缘失效中的作用，填补了这一研究空白。

我们采用了一种新颖的、综合的多方法研究手段，结合了高分辨率、时间分辨电流测量、电化学阻抗谱（EIS）和激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS），以捕捉聚合物基体中的瞬态电响应和离子迁移行为。实验表明，不同类型的离子（如Ag?、Cu2?和K?）对失效时间有显著影响，并观察到不同的失效模式，这表明涂层与金属界面处的电化学过程是主要的失效机制，导致树枝晶生长和局部碱化。韦伯尔（Weibull）统计分析证实，磨损机制是样品失效的原因。通过简化的物理模型和基于能斯特-普朗克-泊松（Nernst-Planck-Poisson）框架的详细一维有限元仿真，进一步阐明了电荷传输和离子迁移的动态过程，从而验证了实验结果。

通过深化对离子迁移与绝缘材料退化之间相互作用的理解，本研究超越了传统的统计失效模型，深化了对聚合物涂层物理失效机制的基础认识。该方法为潮湿环境下的可靠性研究提供了可靠且多方面的方法论，有望广泛应用于绝缘系统的耐久性评估与设计。

引言

电子设备的可靠性在很大程度上取决于其所用绝缘材料的稳定性。其中，聚酰亚胺（PI）涂层在保护微电子元件免受环境因素影响、确保长期功能方面发挥着重要作用[1]。聚酰亚胺因其优异的热稳定性、机械强度和高电阻率而被广泛使用[2]。然而，外部因素（如湿度、离子污染和高电场）会损害其绝缘性能[3]。根据应用场景的不同，这些因素中的一种或多种通常会同时存在。研究表明，在高相对湿度下，聚酰亚胺涂层吸水会导致介电常数增加多达20%，并显著影响电荷传输机制[3,4]。理解这些外部因素影响的基本（失效）机制对于提高微电子系统的可靠性至关重要。

电子材料的可靠性评估通常采用经验方法或基于物理失效机制（PoF）的方法。经验方法依赖于历史失效数据，仅提供统计预测，而无法揭示潜在的失效机制[5]。PoF方法旨在理解根本的退化过程[6,7]。文献中普遍认为，用于高压电子应用的有机涂层的失效机制主要是电性质的，许多研究关注电弧追踪[8]或介电击穿（BD）[9,10]，这些过程受空间电荷积累[10],[11],[12]和电荷注入[9,13,14]的影响。在这些研究中，离子污染通常被忽略或未被考虑。然而，在潮湿条件下，离子有可能改变聚合物的失效机制和绝缘性能[1]。无论是来自制造过程、环境暴露还是施加的应力，离子都可能在电场作用下迁移，导致导电性增强、空间电荷形成和电化学反应[15],[16],[17],[18]。Yun等人[19]的研究表明，在含有单价离子（如Ag?）的水性电解质存在下，SiO₂和HfO₂的介电击穿阈值场显著降低。在微电子器件中观察到的关键失效机制包括腐蚀和电化学迁移（ECM）：金属离子在阳极溶解，通过聚合物迁移并在阴极沉积形成导电树枝晶，可能导致短路[18,20,21]。虽然ECM在印刷电路板领域已有大量研究，但在聚合物涂层中的影响仍鲜有探索。Gabriel和Huitink[21]指出，现有的绝缘失效模型未考虑场非均匀性和局部电化学相互作用，因此无法有效评估与离子相关的退化现象。需要改进或开发针对高阻抗（HiZ）材料的标准化测试程序来评估可靠性和离子传输[9,21]。

先进的表征和仿真技术有助于填补这些研究空白。电化学阻抗谱（EIS）是一种广泛用于分析腐蚀行为[22,23]和评估有机涂层性能[24,25]的无损技术；激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）能够实现高灵敏度的深度剖析，检测固体材料中的微量元素分布[26,27]；韦伯尔统计分析有助于区分早期失效、随机失效和磨损机制[28]。有限元方法（FEM）仿真越来越受到重视，有助于深入了解电荷传输、场畸变和离子迁移行为，从而预测绝缘失效趋势[29,30]。最近的研究进展使得ECM的预测成为可能，包括对树枝晶生长的随机建模[32]和相场仿真[29,33]。

本研究假设，在某些条件下，离子驱动的失效机制决定了涂层的可靠性。离子在聚合物层中的迁移过程可能引发金属/聚合物界面的电化学反应。这些过程目前尚未得到充分理解，因此需要进一步研究导致绝缘失效的前因。

本研究探讨了在高电场和潮湿条件下，存在离子污染时聚酰亚胺的退化现象。实验旨在追踪绝缘失效前的涂层内部过程。使用受控的电化学测试装置，在含有Ag?、Cu2?或K?离子的水性电解质中，对镀有聚酰亚胺的铜结构施加恒定电应力。通过高压测试、EIS和计时安培测量来表征电化学过程，同时利用LA-ICP-MS确定离子渗透分布。开发的物理失效模型用于模拟电荷传输机制和浓度变化。结果证实，离子迁移显著影响绝缘性能，不同离子种类会导致不同的失效行为和失效时间。韦伯尔分析表明失效机制为磨损型。观察到金属-聚合物界面处的腐蚀相关过程，表明电化学反应加速了退化。本研究提出的多方法框架为评估有机涂层中的离子污染效应提供了可扩展的方法，并有助于深入理解微电子器件中的离子诱导绝缘失效。

材料

用于制备水性电解质（AgNO₃、KNO₃和Cu(NO₃)₂?2.5H₂O）的化学试剂为分析级纯度。所研究的交叉指电极（ITC）样品上的聚酰亚胺和铜材料为工业级。

ITC样品是由英飞凌科技（Infineon Technologies AG）提供的1×1厘米2的硅片，每个硅片包含一个铜交叉指电极（IDE）结构，该结构由27个指状电极组成，每个指状电极的宽度为100微米。

仿真

基于物理的数学建模和仿真是增强对失效机制理解的有效工具[30]。这些模型基于实验结果得出，有助于更好地理解绝缘失效前的各种过程。

结果与讨论

补充材料包含了结果和讨论部分中提到的额外图表和图像。

结论

本研究通过多方法研究高阻抗材料中的离子迁移现象，建立了描述离子杂质迁移导致失效的物理模型。该模型揭示了初始物理过程，这些过程根据杂质类型和其他环境参数的不同，会导致不同的失效模式，为预测组件的失效时间和可靠性提供了依据。

CRediT作者贡献声明

马克西米利安·迈尔（Maximilian Mayr）：概念构建、数据整理、形式分析、实验设计、方法论研究、软件开发、数据可视化、初稿撰写、审稿与编辑

哈桑·萨达特·纳比（Hasan Sadat Nabi）：项目管理工作、软件开发、审稿与编辑

君特·法菲莱克（Günter Fafilek）：资金筹集、方法论研究、项目管理工作、资源协调、实验监督、结果验证、审稿与编辑

资金来源

本研究的部分工作得到了ECSEL JU项目iRel40的支持。iRel40是一个由ECSEL Joint-Undertaking（JU）资助的欧洲合作项目，授予编号为876659的资助协议。项目资金来自Horizon 2020研究计划及参与国家，包括德国（包括萨克森州和图林根州）、奥地利、比利时、芬兰、法国、意大利、荷兰、斯洛伐克、西班牙、瑞典和土耳其等国的资助。

CRediT作者贡献声明

马克西米利安·迈尔（Maximilian Mayr）：撰写 - 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论研究、实验设计、形式分析、数据整理、概念构建。

哈桑·萨达特·纳比（Hasan Sadat Nabi）：撰写 - 审稿与编辑、软件开发

君特·法菲莱克（Günter Fafilek）：撰写 - 审稿与编辑、结果验证、实验监督、资源协调、项目管理工作、方法论研究、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢马克西米利安·波德塞德尼克（Maximilian Podsednik）和雅各布·威尔纳（Jakob Willner）在获取LA-ICP-MS数据方面的支持，以及朱利安·胡贝尔（Julian Huber）在电应力测试和EIS测量中的协助。同时感谢维也纳工业大学图书馆通过其开放获取资助计划提供的财务支持。