電子知識:半導(dǎo)體器件鑒定試驗技術(shù)的研究

1 引言 　　

　　眾所周知，可靠性鑒定工作對保證半導(dǎo)體器件質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要，無論是新品研制，還是成熟產(chǎn)品（老品）生產(chǎn)，無不以鑒定試驗作為檢驗其質(zhì)量和可靠性的重要手段。不考慮抗輻照性能的鑒定試驗，半導(dǎo)體器件鑒定工作共有各類試驗20余組，需要樣品100余個?？疾閮?nèi)容包括壽命、耐各種惡劣環(huán)境能力等反映半導(dǎo)體器件質(zhì)量和可靠性的所有指標(biāo)。

　　鑒定試驗不僅對半導(dǎo)體器件質(zhì)量，對半導(dǎo)體器件生產(chǎn)方提出了高要求，也對試驗方，即鑒定方同樣提出了高要求。半導(dǎo)體領(lǐng)域長期對前者十分重視，投入了大量人力、物力進(jìn)行研究，然而對試驗技術(shù)方面的研究，相對容易被忽視，研究成果相對缺乏，某些領(lǐng)域甚至接近空白。

　　由于試驗的錯誤，將不合格批次判為合格，造成不良后果的實例目前較少。而由于試驗的錯誤，特別由于試驗組數(shù)目眾多，大部分LTPD判據(jù)又采用" 零失效"（指試驗中如有一個被試件失效，即判該產(chǎn)品不合格）的情況下，在百余個樣品中只要誤判一個器件，必然將整批器件判為"死刑"。這不僅會給器件的生產(chǎn)方造成不該有的巨大經(jīng)濟(jì)損失，還常常會影響半導(dǎo)體器件使用方的工作進(jìn)度。這種試驗錯誤的實例很多，例如誤將壓力表的表壓作為絕對大氣壓，從而加嚴(yán)了檢漏判據(jù)，這樣的"低級"錯誤經(jīng)調(diào)查存在于相當(dāng)多的鑒定試驗中。

　　由于生產(chǎn)方相對于鑒定方是"弱勢"群體，一般難以檢查"考官"的試驗技術(shù)細(xì)節(jié)，因此對半導(dǎo)體鑒定試驗技術(shù)的研究刻不容緩，必須引起有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門和半導(dǎo)體器件質(zhì)量鑒定領(lǐng)域的足夠重視。

　　本文探討的是半導(dǎo)體器件鑒定試驗中的正弦振動試驗技術(shù)，并且認(rèn)為，振動夾具的正確設(shè)計對保證振動試驗正確的重要性。

2 一起誤判的鑒定試驗案例

　　某廠（以下稱甲廠）生產(chǎn)的一新品由某檢測中心（以下簡稱檢測中心）負(fù)責(zé)鑒定檢驗。對正弦掃頻振動試驗，由于是新品，按常規(guī)采用甲廠檢定計量合格的振動臺及甲廠設(shè)計的與振動臺及新品配套的夾具，由檢測中心監(jiān)督試驗。正弦掃頻振動的試驗中，試驗頻率為20～3000Hz；振動加速度為20g；掃頻時間共48min。

　　試驗后，氣密性檢查顯示有兩個被試件因大漏（氣）而"不合格"。由于振動臺、夾具都是甲廠的，且由該廠人員操作，因此甲廠對試驗結(jié)果毫無異議，準(zhǔn)備改進(jìn)設(shè)計重新投產(chǎn)。如是誤判，顯然這樣作不僅遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還要承受拖延研制進(jìn)度的不良聲譽，且錯誤試驗結(jié)論引導(dǎo)的"改進(jìn)設(shè)計"的方向也難以正確。

　　應(yīng)該說，檢測中心已經(jīng)完成了任務(wù)，但工作人員根據(jù)振動夾具的設(shè)計知識，曾在試驗前懷疑該夾具有可能引起共振，并向甲廠提出，可甲廠設(shè)計人員當(dāng)時沒有對夾具作進(jìn)一步測試。

　　甲廠夾具結(jié)構(gòu)主要有以下兩個疑點：

　?。?）振動夾具由平行于振動臺面的一塊正方形基板和一塊垂直于振動臺面的П型主板以及一根矩形水平梁三部分組成，通過水平梁用螺桿螺接。其中П型板采用兩側(cè)焊接，焊縫很長，重心很高，這樣的結(jié)構(gòu)，很易產(chǎn)生共振。

　?。?）該夾具組合系統(tǒng)總重量是664g，樣品重量為532g，二者之比接近1，樣品對夾具影響大，即使夾具設(shè)計合理，也難以保證被試件處于正確的試驗應(yīng)力。

　　為保證鑒定試驗正確，檢測中心對甲廠的夾具測試其振動響應(yīng)曲線，測試結(jié)果如圖1所示。

　　從圖1明顯看出，甲廠設(shè)計的夾具在試驗頻率（20～3000Hz）范圍內(nèi)確實多次發(fā)生了共振，從而使施加于被試樣品上的實際應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。由此得出的不合格結(jié)論顯然有失公允。

　　甲廠按檢測中心的設(shè)計重新加工了夾具，夾具重約3千克，克服了甲廠夾具結(jié)構(gòu)的各類缺點。測試的振動響應(yīng)曲線顯示，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動頻率范圍內(nèi)，不出現(xiàn)共振和隔振現(xiàn)象，采用新夾具重新試驗，無一失效。

　　從式（2）可得，（a）當(dāng)fA=f，則|T|＝∞，即發(fā)生了共振，被試件上承受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)定值；（b）當(dāng)fA<

　　工作點施加于被試件的應(yīng)力和規(guī)定值嚴(yán)格相等，這顯然是最佳工作點，但實際是難以實現(xiàn)的，一般都有一定差異，如要求誤差小于10％,即1.1>|T|>0.9，則可從式（2）解得。fA必須滿足下述兩個條件中的一個。

　　如考慮阻尼ξ，并不影響上述定性結(jié)論，但對fA的要求隨阻尼ξ的增加而相應(yīng)放松，這從圖3中顯示得十分清楚。

　　借助fA和ξ的定義，從式（3）和式（4）確定力學(xué)系統(tǒng)簡化模型的彈簧k、阻尼c和質(zhì)量塊m的選取范圍，也就可以設(shè)計出合用的夾具。當(dāng)然，實際夾具的設(shè)計還有一些需要注意的原則，如夾具和被試件的重量比應(yīng)有一個較佳的比值，即4.7，夾具的重心應(yīng)盡量低，盡量和振動臺臺面的重心靠近[4]等。這些規(guī)定的推導(dǎo)較為復(fù)雜，設(shè)計時可以參閱有關(guān)資料。

3 夾具是試驗正確的重要因素

　　這里對夾具的討論分析有兩點說明：（1）鑒定檢驗中需使用夾具的不只在振動試驗中，在其他必須使用夾具的試驗中夾具同樣對試驗正確起重要作用，也必須重視。（2）本文限于篇幅，并考慮到半導(dǎo)體器件工作者的專業(yè)范圍和需要，對夾具設(shè)計原則和設(shè)計技術(shù)只作簡要討論，以圖引起重視和指明研究思路。深入涉及機械力學(xué)領(lǐng)域的理論和資料可參閱文獻(xiàn)[1～3]。

　　3.1 振動夾具的基本要求

　　簡單說，夾具應(yīng)使被試件受到的應(yīng)力和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相一致，即應(yīng)避免出現(xiàn)顯著增加應(yīng)力的共振，也應(yīng)當(dāng)避免使被試件所受應(yīng)力顯著減小而出現(xiàn)"隔振"現(xiàn)象。

　　3.2 簡化的力學(xué)模型

　　為便于討論，將振動系統(tǒng)簡化成如圖2所示的力學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個彈簧k、一個阻尼c和一個由夾具、動圈、樣品等合成的質(zhì)量塊m組成。設(shè)（振動臺）輸入激勵振動頻率為f，輸入信號的振幅為x1，該力學(xué)系統(tǒng)固有頻率fA為[1]

　　質(zhì)量塊的響應(yīng)振幅定義為x2。而輸出振幅和輸入振幅之比，即傳遞率|T|為

　　|T|=x2/x1

　　3.3 傳遞率曲線

　　所謂傳遞率曲線即為傳遞率|T|隨振動頻率f的變化曲線。理論推導(dǎo)可得傳遞率的絕對值|T|為[1]

　　對式（1）進(jìn)行定量分析。首先忽略阻尼ξ，令ξ=0，則式（1）簡化為

　　3.4 夾具振動響應(yīng)曲線的測試

　　經(jīng)過理論分析設(shè)計的夾具能大大減少盲目設(shè)計的工作量。但由于實際情況更為復(fù)雜，對新設(shè)計的夾具仍必須作嚴(yán)格的振動響應(yīng)曲線的測試。

4 結(jié)束語

　　使用設(shè)計合理、經(jīng)過振動響應(yīng)曲線嚴(yán)格檢測的夾具是保證振動試驗正確的重要環(huán)節(jié)之一。以前在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)和質(zhì)量鑒定領(lǐng)域，對夾具設(shè)計技術(shù)的研究工作相對薄弱，錯誤的設(shè)計有可能使鑒定試驗的結(jié)果偏離真實結(jié)果。

　　這一案例說明，在保證半導(dǎo)體器件質(zhì)量和可靠性工作中，半導(dǎo)體器件的鑒定試驗技術(shù)的研究和半導(dǎo)體器件的設(shè)計、工藝的研究同樣重要。這個領(lǐng)域技術(shù)的深入研究不僅對鑒定試驗機構(gòu)重要，對半導(dǎo)體器件研究和生產(chǎn)領(lǐng)域也是非常重要的。