抗輻射晶體管3DK9DRH的貯存失效分析

摘要：為了找到并糾正抗輻射晶體管3DK9DRH貯存失效的原因，利用外部檢查、電性能測試、檢漏、內(nèi)部水汽檢測、開封檢查等試驗完成了對晶體管3DK9DRH的一種貯存失效分析。結(jié)果表明晶體管存在工藝問題，內(nèi)部未進(jìn)行水汽控制，加上內(nèi)部硫元素過高，長期貯存后內(nèi)部發(fā)生了氧化腐蝕反應(yīng)，從而導(dǎo)致晶體管功能失效。對此建議廠家對晶體管的生產(chǎn)工藝進(jìn)行檢查，對水汽和污染物如硫元素等加以控制，及時剔除有缺陷的晶體管。
關(guān)鍵詞：失效分析；失效機理；晶體管；輻照加固

0 引言
    元器件是電子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。隨著人們對電子產(chǎn)品質(zhì)量可靠性要求的不斷增加，尤其是在航空航天領(lǐng)域、艦船、衛(wèi)星和計算機等領(lǐng)域，為了不出現(xiàn)因電子元器件失效造成災(zāi)難性后果，必須開展評價元器件可靠性和提高元器件可靠性的工作，其中電子元器件的失效分析發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著各種設(shè)備被廣泛用于人造衛(wèi)星、宇宙飛船和核武器等系統(tǒng)中，基本的電子元器件也不可避免的處于空間輻射和核輻射等強輻射環(huán)境下，提高器件的抗輻射能力成為設(shè)備、系統(tǒng)長壽命的重要要求。輻照能改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致宏觀尺寸和材料的多種性質(zhì)變化。在晶體中，輻照產(chǎn)生的各種缺陷一般稱為輻照損傷。輻射會對晶體管造成不同程度的破壞，主要有位移輻射效應(yīng)和電離輻射效應(yīng)。位移效應(yīng)能破壞晶材料的晶格結(jié)構(gòu)及其周期試場，將新的電子能級引入禁帶。電離效應(yīng)可能引入表面缺陷，在反偏PN結(jié)中形成瞬時光電流等。對于雙極性晶體管，位移輻射的影響程度與器件的工作電流、頻率、基區(qū)寬度等有關(guān)系，電離輻射的一個重要影響是產(chǎn)生的瞬時光電流可能使晶體管的工作狀態(tài)翻轉(zhuǎn)、造成瞬態(tài)功能紊亂，嚴(yán)重導(dǎo)致晶體管燒毀。因此提高晶體管的抗輻射能力成為人們研究的重點方向。目前雙極性晶體管輻射加固的方法有：采用薄基區(qū)、淺結(jié)、重?fù)诫s和小面積擴散，采用高摻雜材料，采用抗輻射表面鈍化膜等。
    晶體管是固體半導(dǎo)體器件，可以應(yīng)用于檢波、放大、整流、開關(guān)、信號調(diào)制、數(shù)字邏輯等方面。其中在放大電路中，晶體管是核心元件，它能夠控制能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的任何微小變化不失真地放大輸出。晶體管3DK9DRH是硅材料制成的NPN型三極管，具有抗輻射性，能適應(yīng)于強輻射環(huán)境中。本文通過對晶體管3DK9DRH的一種貯存失效分析，提出了失效產(chǎn)生的原因在于生產(chǎn)時存在工藝問題，晶體管內(nèi)部未進(jìn)行水汽控制，加上內(nèi)部硫元素過高，長時間貯存后，內(nèi)部發(fā)生了氧化腐蝕反應(yīng)，從而使晶體管功能失效。

1 晶體管貯存失效分析
1．1 失效分析
    失效分析是通過判斷失效模式，查找失效原因和機理，提出預(yù)防再失效對策的技術(shù)活動和管理活動。失效模式就是失效的外在表現(xiàn)形式，失效機理是導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)、熱力學(xué)或其他過程，該過程中應(yīng)力作用在部件上造成損傷，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失效。失效可能發(fā)生在研制、生產(chǎn)、測試、試驗、儲存、使用等各個階段。按工作時間來分，失效可分為：早期失效期、偶然失效期、耗損失效期。失效分析可以根據(jù)失效現(xiàn)場情況推測出元器件可能的失效機理，通過適當(dāng)?shù)氖Х治龇椒?，快速?zhǔn)備地進(jìn)行失效分析，并提出糾正措施，防止這種失效模式的再次出現(xiàn)。失效分析的流程如圖1所示。

    常用的失效分析技術(shù)的方法有：外部目檢、電性能測試、內(nèi)部分析、失效點定位、物理分析等。外部目檢可以通過肉眼、金相顯微鏡或者掃描電子顯微鏡來檢查失效器件與正常器件的區(qū)別。
    電性能測試可以測試器件的電特性、直流特性或者進(jìn)行失效模擬測試。內(nèi)部分析包括x射線檢測、紅外線顯微分析和聲學(xué)掃描顯微分析、殘留氣氛分析、密封性檢查等。失效點定位是利用缺陷隔離技術(shù)定位，分析結(jié)構(gòu)和成分來確定失效起因。物理分析是通過對芯片進(jìn)行一系列物理處理后再觀察和分析失效部件。
    通過失效分析，可以為可靠性試驗(加速壽命試驗、篩選)條件提供理論依據(jù)和實際分析手段，實施失效分析的糾正措施后提高系統(tǒng)的可靠性，減小系統(tǒng)試驗和運行工作的故障。為了能夠更準(zhǔn)確、更快速地診斷產(chǎn)品的失效部位和確定失效機理，目前失效分析的新技術(shù)正朝著高空間分辨率、高靈敏度和高頻率的方向發(fā)展。
1．2 晶體管貯存失效模式與失效機理
    根據(jù)目前國際形勢和電子設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用的需求，電子設(shè)備必須具有適應(yīng)長期貯存、隨時可用和能用的特點。
    在貯存期間由于受到溫度、濕度或者化學(xué)等方面的影響，可能造成晶體管性能退化甚至失效。長期庫房貯存試驗和延壽試驗對失效品的分析表明，元器件失效的主要原因是由于水汽影響，其次是芯片、引線脫落。晶體管屬于半導(dǎo)體分立器件，影響晶體管可靠性的主要是電應(yīng)力，但在貯存狀態(tài)下，晶體管僅僅短時間通電測試，電應(yīng)力對失效率的影響是次要的，起主要作用的是溫度、濕度、振動、沖擊、霉菌等環(huán)境應(yīng)力的影響。晶體管常見的貯存失效模式及失效機理如表1所示。

    在長期貯存條件下，晶體管的芯片和管芯不易失效，因此失效分析的重點應(yīng)關(guān)注與器件工藝有關(guān)的失效機理。例如未進(jìn)行水汽控制的晶體管在長期貯存中，水汽會進(jìn)入管殼，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，引起內(nèi)引線鍵合失效或電參數(shù)退化。對于晶體管，常用的電參數(shù)有：晶體管在飽和區(qū)工作時集電極c與發(fā)射極e之間的飽和壓Vces、電流放大倍數(shù)hfe、發(fā)射極開路時集電極c與基極b間的擊穿電壓BVcbo、基極開路時集電極c與發(fā)射極e間的擊穿電壓BVceo、基極開路時集電極與發(fā)射極間的穿透電流Iceo等。

2 晶體管3DK9DRH的失效分析
    晶體管3DK9DRH的主要工藝流程是：經(jīng)過切片、研磨和拋光等過程后，制備成厚度大約為300～500μm的圓形硅片作為器件的襯底，隨后進(jìn)行外延生長、氧化、光刻、擴散、蒸發(fā)、壓焊和多次硅片清洗，表面鈍化、最后進(jìn)行成品封裝。在本文中，晶體管3DK9DRH是1995年生產(chǎn)的，裝機后一直處于存儲狀態(tài)，每隔一個時期通一次電，最近通電發(fā)現(xiàn)晶體管失效，失效現(xiàn)象為集電極c和發(fā)射極e間的耐壓降低，飽和電壓與指標(biāo)不符。
    將失效樣品標(biāo)號為10#，同時取同期生產(chǎn)的、不同期生產(chǎn)的6只同型號產(chǎn)品作為對比件，其中1995年生產(chǎn)的抗輻射產(chǎn)品標(biāo)號為1#，2#，3#，2003年生產(chǎn)的抗輻照產(chǎn)品標(biāo)號為7#，8#，9#。
    首先對失效樣品和6只對比件進(jìn)行電性能測試。10#的Vces>1．024 V，hfe=9．4，BVcbo=91．1 V，BVceo=55．1 V，從數(shù)據(jù)可以看出10#樣品的飽和壓降嚴(yán)重超標(biāo)，并且放大倍數(shù)、c-b結(jié)耐壓、c-e結(jié)耐壓都超標(biāo)。1#～3#樣品的e—e，c—b同樣結(jié)耐壓超標(biāo)，3#樣品Iceo=8．86 μA，明顯看出c—e漏電流超標(biāo)。7#～9#樣品的c-b結(jié)耐壓超標(biāo)，7#～8#樣品的c—e結(jié)耐壓不合格；9#樣品的c—e結(jié)耐壓合格。
    對1#～3#和10#樣品進(jìn)行了檢漏檢測，結(jié)果為3#粗檢漏、細(xì)檢漏都不合格，2#細(xì)檢漏不合格，1#和10#樣品粗檢漏、細(xì)檢漏都合格，需進(jìn)行下一步檢查。接著對1#和10#樣品進(jìn)內(nèi)部水汽檢測，結(jié)果10#樣品內(nèi)部水汽含量為3．65％，1#樣品內(nèi)部水汽含量為1．02％，一般要求水汽小于0．5％，因此兩者都不合格，10#更為嚴(yán)重。開封檢查發(fā)現(xiàn)，10#失效件內(nèi)部芯片表面有白毛。加工時尾絲長達(dá)160mm，而合格標(biāo)準(zhǔn)為120 mm。其余2#件尾絲為170 mm、3#件尾絲為160 mm，只有1#件鏡檢合格。

    對10#樣品(失效件)進(jìn)行掃描電鏡內(nèi)部成分分析，如圖2所示：取A，B，C，D四點進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中看出失效件中存在鉀、鈦、氧、鐵、鈉、硅、金、硫等元素，而硫元素含量極高。
    將失效分析過程匯總后，得到表2所示的結(jié)果。

    通過上述分析可知，在電性能測試中：產(chǎn)品的耐壓BVcbo和BVceo基本上都達(dá)不到產(chǎn)品的指標(biāo)，失效器件的電性能不合格屬于功能失效。內(nèi)部水汽檢測說明該產(chǎn)品在生產(chǎn)封裝時沒有進(jìn)行內(nèi)部水汽控制。
     而芯片表面長白毛一方面是因為內(nèi)部水汽含量過高，另一方面根據(jù)對10#樣品進(jìn)行的掃描電鏡內(nèi)部成份分析得到的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)各采樣點硫元素的含量很高，產(chǎn)品內(nèi)部存在硫等物質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)生氧化腐蝕反應(yīng)。這表明該失效件在生產(chǎn)時的工藝存在問題，導(dǎo)致硫元素殘存量過高。
    因此，分析認(rèn)為此次晶體管3DK9DRH的生產(chǎn)工藝存在問題，器件硫元素含量過高，再加之元器件內(nèi)部水汽未加以控制，在相當(dāng)一段貯存時間后，晶體管內(nèi)部發(fā)生氧化腐蝕反應(yīng)，致使該元件產(chǎn)生功能失效。
    建議以后如果再發(fā)現(xiàn)同批次生產(chǎn)的3DK9DRH晶體也存在類似情況，有可能是生產(chǎn)工藝時存在問題，生產(chǎn)廠家有必要進(jìn)行工藝檢查。

3 結(jié)語
    本文結(jié)合外部檢查、電性能測試、檢漏、內(nèi)部水汽檢測、開封檢查、內(nèi)部成份分析等失效分析項目，完成了對晶體管3DK9DRH進(jìn)行的一種貯存失效分析。該失效樣品在產(chǎn)生工藝過程中存在問題，未對水汽加以控制，導(dǎo)致內(nèi)部水汽超標(biāo)，加之晶體管工藝制造中引入了硫元素，內(nèi)部硫元素含量很高，在貯存期間器件發(fā)生內(nèi)部氧化腐蝕反應(yīng)，導(dǎo)致芯片表面長白毛。對此本文建議生產(chǎn)廠家進(jìn)行必要的工藝檢查，同時對內(nèi)部水汽加以控制，要及時剔除有缺陷的產(chǎn)品，減少系統(tǒng)試驗和運行工作時的故障，提高系統(tǒng)、設(shè)備的可靠性，避免不合格的貯存器件使用時造成災(zāi)難性的后果。