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(cè)試、檢漏、內(nèi)部水汽檢測(cè)、開(kāi)封檢查等試驗(yàn)完成了對(duì)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(wèn)題，內(nèi)部未進(jìn)行水汽控制，加上內(nèi)部硫元素過(guò)高，長(zhǎng)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(duì)此建議廠家對(duì)晶體管的生產(chǎn)工藝進(jìn)行檢查，對(duì)水汽和污染物如硫元素等加以控制，及時(shí)剔除有缺陷的晶體管。
關(guān)鍵詞：失效分析；失效機(jī)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(duì)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(jì)算機(jī)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(kāi)展評(píng)價(jià)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(lái)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(qiáng)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(zhǎng)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(huì)對(duì)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(chǎng)，將新的電子能級(jí)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(shí)光電流等。對(duì)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(gè)重要影響是產(chǎn)生的瞬時(shí)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(diǎn)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(kuò)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(kāi)關(guān)、信號(hào)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(qiáng)輻射環(huán)境中。本文通過(guò)對(duì)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(shí)存在工藝問(wèn)題，晶體管內(nèi)部未進(jìn)行水汽控制，加上內(nèi)部硫元素過(guò)高，長(zhǎng)時(shí)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(guò)判斷失效模式，查找失效原因和機(jī)理，提出預(yù)防再失效對(duì)策的技術(shù)活動(dòng)和管理活動(dòng)。失效模式就是失效的外在表現(xiàn)形式，失效機(jī)理是導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)、熱力學(xué)或其他過(guò)程，該過(guò)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(cè)試、試驗(yàn)、儲(chǔ)存、使用等各個(gè)階段。按工作時(shí)間來(lái)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(chǎng)情況推測(cè)出元器件可能的失效機(jī)理，通過(guò)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(cè)試、內(nèi)部分析、失效點(diǎn)定位、物理分析等。外部目檢可以通過(guò)肉眼、金相顯微鏡或者掃描電子顯微鏡來(lái)檢查失效器件與正常器件的區(qū)別。
電性能測(cè)試可以測(cè)試器件的電特性、直流特性或者進(jìn)行失效模擬測(cè)試。內(nèi)部分析包括x射線檢測(cè)、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(diǎn)定位是利用缺陷隔離技術(shù)定位，分析結(jié)構(gòu)和成分來(lái)確定失效起因。物理分析是通過(guò)對(duì)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(guò)失效分析，可以為可靠性試驗(yàn)(加速壽命試驗(yàn)、篩選)條件提供理論依據(jù)和實(shí)際分析手段，實(shí)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(yàn)和運(yùn)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(jī)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(jī)理
根據(jù)目前國(guó)際形勢(shì)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(zhǎng)期貯存、隨時(shí)可用和能用的特點(diǎn)。
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(zhǎng)期庫(kù)房貯存試驗(yàn)和延壽試驗(yàn)對(duì)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(shí)間通電測(cè)試，電應(yīng)力對(duì)失效率的影響是次要的，起主要作用的是溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、霉菌等環(huán)境應(yīng)力的影響。晶體管常見(jiàn)的貯存失效模式及失效機(jī)理如表1所示。

在長(zhǎng)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(diǎn)應(yīng)關(guān)注與器件工藝有關(guān)的失效機(jī)理。例如未進(jìn)行水汽控制的晶體管在長(zhǎng)期貯存中，水汽會(huì)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(duì)于晶體管，常用的電參數(shù)有：晶體管在飽和區(qū)工作時(shí)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(kāi)路時(shí)集電極c與基極b間的擊穿電壓BVcbo、基極開(kāi)路時(shí)集電極c與發(fā)射極e間的擊穿電壓BVceo、基極開(kāi)路時(shí)集電極與發(fā)射極間的穿透電流Iceo等。