工艺与器件的可靠性分析ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电子器件与工艺的可靠性分析,1,目 录,1. 电子器件可靠性研究的意义；,2. 电子器件可靠性的内容；,1). 设计可靠性；,2). 工艺可靠性；,3). 封装可靠性；,4). 使用可靠性；,5). 系统可靠性。,3. 设计可靠性,1). 使用对器件性能的要求；,2). 环境对器件的要求；,3). 设计的宽限度,2,目 录,4.工艺可靠性,1).氧化,2).扩散,3).离子注入,4).光刻,5).隔离,6).接触,7).互联,8).封装,3,5.封装可靠性,1).管壳选择,2).键合连接方式,3).封装方式,4).接地,5).特殊要求,4,6. 使用可靠性,1).工作电压及稳定性；,2).负载电流及稳定性；,3).工作温度；,4).静电保护；,5,可靠性试验方案的设计,6,可靠性试验的标准,7,现代可靠性评价技术的发展,8,一. 电子器件可靠性研究的意义,对正常使用提供预期保证,从可靠性测试结果的统计分析中可以得到器件正常使用的大致时间，提前安检、维修、或更新，从而保证安全使用。,2.,对器件设计提供实际指导,设计人员可以根据在可靠性测试中出现故障的器件解剖分析，寻找故障原因，更该设计参数或指标，提高器件性能。,3.,对器件工艺的规范或修改提供依据,可靠性高的器件制造工艺可以固定并规范，可靠性差的工艺必须修改并完善。,9,二. 设计可靠性分析,1.使用对器件性能设计的要求,在设计,电子器件时，首先要充分了解和满足使用对器件性能的要求，并且必须保证相当的宽容度，这些要求主要是：,a. 工作电压；,b. 驱动电流；,c. 静态电流；,d. 速度或延时；,e. 灵敏度或探测率等,10,对电子器件，特别是集成电路的工作电压，设计时主要从隔离方法、寄生效应、场开启电压、沟道长度、P-N结深度和结的缓变或突变形式等考虑。,对于集成电路的驱动电流，设计时主要从宽长比、MOS管的导通电阻、互联线种类、宽度等考虑,对于静态电流， 主要从沟道长度、重离子沾污、隔离方法、开启电压等方面考虑,对于速度与延时的指标主要考虑的是沟道长度、沟道类型、串联电阻（宽长比、P沟还是N沟、金属连接还是多晶硅、p型掺杂互联或n掺杂互联）等,对于哪些传感器、探测器，必须考虑灵敏度、探测率这需要通盘设计器件探测、放大、阻抗匹配、结构等因素,11,三、工艺可靠性分析,扩散,扩散是重要的掺杂手段，是,p-n,结形成或隔离、抗漏电等的主要电子器件工艺。,扩散出现的影响器件可靠性的问题主要有：,a.,浓度非均匀 原因：恒温区偏离、气流分布,b.,结深偏差 原因：参数设计偏差,c.,扩散杂质穿透 原因： 阻挡层厚度偏差,d.,杂质污染 原因： 炉管污染,e.,后高温过程中杂质的扩散,12,13,14,15,16,2. 氧化,氧化对器件可靠性影响的主要问题在于：,氧化缺陷的生成,氧化应力的产生,薄氧化层成长与理论值的差别,介面态问题,针孔密度与击穿,可动离子与重金属污染,氧化的均匀性问题,17,氧化诱生堆多层错,18,高温和低温氧化都不利于形成堆垛层错,19,20,21,3.离子注入,离子注入是高精度的掺杂手段，它的工艺可靠性直接影响着器件的性能，离子注入容易出问题的地方主要是：,a. 分析器：对离子的分选、荷质比相同峰的区分,b. 电荷积分仪: 二次电子遏制、中性离子,c. 扫描频率选择：fy:fx不能为整数,d. 静电堆积与放电,e. 样品的冷却,f. 束斑大小与注入时间,g. 束通道的溅射沾污,h. 注入离子的屏蔽 i. 退火与激活,22,23,24,光刻中出现的非可靠性问题很多，包括：,a.曝光参数的选择:光强、胶厚、胶的种类、曝光、显影时间,b.光强的均匀性:包括间隙、衬底吸收、表面反射,c.对位偏差：充分利用对位标记对位，不用不同的光刻机做,同一个器件的不同版次光刻,d.显影与残胶：显影液不能过多地去除未显影部分的光刻,胶，也不能腐蚀衬底材料，特别是金属衬底。,e.脱胶、沾蚀与表面处理,f.在不同衬底上正负光刻胶的去胶：,g.不同波长对光刻胶的要求,4. 光刻,25,5. 隔离,隔离的目的是为了减小器件的漏电。隔离的方法有：p-n,结隔离、介质隔离、沟槽隔离三种。其实隔离还包括器件与,周围环境的隔离如：钝化、真空封装。隔离的不可靠性问题,主要有：,a. 避免,闩锁效应（Luchup）即可控硅效应,， 避免寄生管,b. 介质隔离的主要问题是是否能有效将场开启电压提高到,电源电压之上,c. 沟槽隔离的效果好，但工艺复杂，需要专用设备,d. 目前的许多集成电路都采用多层布线，层间有效隔离和,减少分布电容应同时兼顾,e. 用SOI材料是好的选择，但薄膜器件要做岛隔离,26,27,辐照产生电子-空穴对、在CMOS工作时，电子向N沟道集中，降低NMOS的开启电压，空穴向P沟道集中，升高PMOS的开启电压。造成CMOS 电路的漏电和失效。,SOI 器件层薄，产生的电子-空穴对少，由于埋层的隔离，衬底硅中的电子-空穴对无法到达器件沟道，有效提高了SOI 器件的抗辐照能力,28,MOS电路的,阱隔离,TTL,电路的 环隔离,P-n结隔离,29,介质隔离,30,31,深槽隔离,32,接 触,良好的欧姆接触是任何器件所必须的，接触指的是电路逻辑上必须连接的地方，如有源器件与互联线的接触，互联线与无源器件的接触多层布线的层间连接等，不可靠的连接轻则降低器件性能、发热、重则器件损坏。主要问题是：,a. 不产生肖特基接触，接触点的掺杂浓度高于10,18,/cm,3,b. 避免钉扎效应，用Al-Si,替代Al,c. 层间互联溅射沉积前一定要先用反溅,d. 互联金属沉积前，对即使光刻腐蚀良好的片子也要在,50:1的H,2,O：HF溶液中漂洗 30s,去除自然氧化层,e. 硅化物没有充分形成，造成接触电阻太大,33,钉扎效应,34,肖特基结,欧姆接触,35,减少Al 吃 Si现象的办法：采用Al-Si合金（0.5%-1.5%）,36,6 互 联,集成电路的功能要正确体现必须有可靠的互联，互联中容,易出现的可靠性问题主要有：,断条： 电路芯片表面平整化不好，台阶太高、互联金属,薄膜太薄、沉积时灰尘颗粒遮蔽、过腐蚀,b.,连条： 分辨率不够、曝光不足、胶太厚、光刻时灰尘遮蔽,c.,电迁移效应： 电子动量使互联金属原子移位、堆积、断,条，此外还有应力堆积发生电迁移等,在,Al,中加,1%-4%,的,Cu,，,减少了,Al,的边界扩散，提高了电迁移的激活能，从而,可以有效遏制电迁移现象。,37,d. Al-Si靶溅射快完时，Si的含量大大增加，会增大互联电阻,e.多层互联： 避免空洞效应。,空洞效应，,在多层布线时，有时会在线条上形成小缝或小块，这是由于金属与周围介质的热膨胀差异造成。避免的方法同样可以采用Al-Cu合金材料,38,表1. 三种金属薄膜的电迁移比较,金属膜种类,溅射时间,实际厚度,实际线条宽度,实测电迁移电流,Al,2小时,493.0nm,505,m,2.706,10,5,A/cm,2,Al-Cu(10%),1小时,236.3nm,318,m,1.331,10,6,A/cm,2,Cu,1小时,559.4nm,438,m,1.22,10,7,A/cm,2,39,图 通电前（左）和通电30分（中）和通电1小时后（右）的Al条形貌,40,图 通电前（左）和通电后断裂后（右）的Al-Cu条形貌,41,图 通电前（左）和通电3A，2.5小时后（右）的Cu条形貌,42,第一层Al,43,第二层Al,44,45,7 封装可靠性,封装是关系到器件芯片能否实际应用的问题，也关系到器件能否长久可靠使用的问题，封装中容易出现的非可靠性问题主要有：,a.锯片时的对准，防止因积累误差损伤芯片,b.可靠的黏贴，要求接地、大电流、大功率、散热好的,必须减薄、背面蒸金、用银浆黏贴、成合金连接。,c. 选择合适的焊接方式，CMOS用超声Si-Al丝焊接，,TTL或大电流器件用金丝球焊。,d. 压焊时的超声功率、压力、引线长度合适，不能太短,或太长,46,e. 焊线与线框引线脚的焊接牢度需要检测,在封装传感器等器件时，黏贴料与器件基片间不能产生明显,的应力。芯片与封装基片尽可能不采用静电键合。,g.,对特殊器件的封装采用特殊工艺，如红外器件采用真空封,装，大部分军品,IC,采用气密性陶瓷封装。,h.,对光学器件的封装表面不要用吸收强的材料如太阳能电池的,封装玻璃的吸收尽量小，红外器件表面用,Ge,透镜等,47,硅片,台,锯刃,锯片对位,48,芯片,黏贴材料,引线框架,黏 贴,49,压模混合物,引线框架,压点,芯片,键合的引线,管脚尖,引线键合,50,引线,楔压劈刀,(1),劈刀向上移动,导给劈刀更长的引线,(3),超声能,压力,引线框架,(4),劈刀向上移动,在压点旁将引线折断,(5),(2),Al 压点,超声能,压力,芯片,超声焊接,51,(2),H2 火焰,球,(1),金丝,毛细管,劈刀,(5),压力和加热,形成压点,引线框架,(6),劈刀向上移动,在压点旁将引线折断,在压点上的焊球,压力和,超声能,芯片,(3),劈刀向上移动并导入更长的引线,Die,(4),金丝球焊,52,柱,器件,测试中的芯片,钩,样品卡,拉力试验,53,太长,太短,器件压点,柱,柱,器件压点,柱,器件压点,合 适,焊线长度,54,使用可靠性,这是器件对使用条件的要求，只有在合适的使用条件下，器件才能发挥正常的性能，才能长期使用。要器件可靠使用必须注意以下几点：,工作电压：器件一般能承受电源电压的波动为规定值的,15%,2.,负载,:,负载电流不能超过规定值的,5%,，负载电阻则相反,3.,环境温度：尽量满足合适的工作温度,4.,湿度要求： 对封装良好的器件湿度要求多时间没有太高要求,5.,静电保护：,MOS,器件对防静电的要求较高,6.,振动： 避免在振动厉害的环境下工作,55,1).兼容与匹配,对使用器件，希望与系统内其它器件能较好匹配，要有一定兼容度，方便维修与更换,2).宽限度,系统设计时，对器件的性能参数不要要求使用到上限，保留一定宽容，器件的各种可能损坏因素都要在组成系统时尽量避免，或采用相应保护措施，使系统可靠。,3).自保与备用,对电子器件特别是集成电路，使用条件比较苛刻，突发性损坏很难避免，涉及航空、航天、生命等重要的应用，除了配备可靠的自保装置，还要有备用系统，以备万无一失。,7. 系统可靠性,56,四、可靠性试验,可靠性试验是指在实验室里用模拟现场工作好人环境条件进行试验，以确定产品可靠性的方法。可靠性试验包括模拟现场使用条件的一般失效率试验和大应力强度的加速寿命试验。,可靠性试验的目的：,1. 在研制阶段是产品达到预定的可靠性指标；,2. 在生产过程中，不断监控以提高产品质量；,3. 制定合理的产品工艺筛选条件；,4. 对产品进行可靠性鉴定和验收；,5. 研究器件的失效机理。,57,通常产品的寿命可以分为三个连续的阶段：,早期失效期，也称老练期。该阶段的失效率较高，特点是失效率随时间增长很快降低；,2.,使用寿命期，也称偶然失效期。特点是正常工作时间长，,产品失效率最低，且失效率近似为一常数；,3.,损耗期， 该阶段，由于经过寿命期后器件老化，产生老化失效，所以该区域也称损耗失效区。特点是，产品失效率随时间增长而增加。,可靠性试验一般在使用寿命期中进行。,58,失效率,老练期,使用寿命期,损耗期,时间,产品失效曲线,59,失效率,老练期,使用寿命期,损耗期,时间,半导体器件的产品失效曲线,60,新产品的可靠性试验,新研制的产品通常其可靠性都不能达到预期的水平，需要作可靠性增长试验，即通过反复的,“试验-分析-解决”,的途径暴露产品缺陷，采取纠正措施，及早发现并解决大部分可靠性问题。可靠性增长试验及可靠性研制试验，不是以评估每个试验方案是否通过为目的，而是通过试验-分析-改进-再试验的反法，使产品可靠性增长的试验。可靠性增长的三个要素是：1. 产品失效的检测与分析；2.有问题产品的反馈与分析；3. 执行纠正措施并重新试验。产品可靠性的增长速度取决于上述三个要素的完成速度。,可靠性增长是在研制期或在以后制造时使产品达到预期可靠性的综合纠正措施。,61,可靠性增长试验在研制初期通常有三种方法：,试验,-,问题记录,-,再试验；这种方法就是把对初期研制产品在试验中发现的问题集中进行分析改进，再试验。通过这种试验可以使产品的固有可靠性有较大的提高。,试验,-,改进,-,试验；这种方法通过试验暴露产品的薄弱环节、作失效机理和失效模式分析，立即改进再试验，证实分析的结果，使产品固有可靠靠性得到 增长。,含延缓改进试验,-,改进,-,再试验；这是上述两种方法的结合，试验过程发现问题后有些立即改进，再试验；有些则延缓改进，等再试验结束后全面分析、改进后再试验验证。,可靠性试验是一个反复试验、不断改进、不断完善的过程。,62,产品鉴定和验收的可靠性试验,产品在初期研制可靠性评审通过后，就要进行试制性大批量生产，以考核设计文件、工艺设备和质量保证的可行性。以及原材料、试剂等的一致性、稳定性，暴露设计与生产中的问题，落实改进措施，为产品定型和正式生产创造条件。,产品从样品研制出来后，就进入了产品定型阶段。为了验证产品能否在规定的环境条件下达到规定的性能和满足可靠性要求，就必须做鉴定试验。而可靠性验收试验是指为了确定定型和批量生产的产品，能否在规定的条件下达到规定的性能和可靠性要求的试验。一般，验收试验不是每批产品都做，而是不定期的经常进行，检控产品质量的变化。,63,试生产中，通过工序检验、工艺筛选和逐批检验的产品，认为质量稳定时，可以按照GB5080-86，SJ2166-82，SJ2064-82的标准，制定可靠性鉴定和验收试验的方案。,可靠性试验的方案要避免走太宽松与太苛刻两个极端。对要求特别严格的航天产品、军品等，也要参考部标、国标和行业标准，如果有特殊的要求，必须特别设计，提高设计标准。,产品的例行可靠性试验由各单位的质量管理与检验部门完成。而外单位委托研制的产品验收，其验收标准往往主要由委托单位提出，并经生产单位和使用单位协商，而产品的验收可靠性试验要包含事先委托试验和现场测试等内容。可靠性试验的单位也可不在生产单位，而委托权威单位进行。,64,没经筛选的半导体器件的失效曲线如上图所示。表现为在早期失效期出现一个高失效的峰值，然后进入使用寿命期，失效率按正态分布的对数曲线缓慢下降，几乎没有损耗期，从正常使用直接损坏。,根据生产工艺或设备的不同，对同一设计对不同批次的产品可能出现优品或劣品，即长寿命、低分散和短寿命、高离散。所以即使正常生产，通常也必须做可靠性筛选。,可靠型筛选通常要对产品施加各种应力或采用特殊手段，尽可能地剔除早期失效产品，是挑选出的产品有高的使用寿命。在做筛选试验前，样品都经过全参数测试且全是合格品，理想的筛选是剔除所有劣品，保留所有优品。但实际上作不到，因为可靠性试验可能部分损坏优品。因此，可靠性试验的条件设定十分重要。,65,有效的筛选可以使器件的失效率，降低一到二个数量级不同的试验项目可以曝露不同的失效原因，必须根据不同的产品工艺、机构特点，选择不同的可靠性试验项目。,66,检查试验,显微镜检查、超声探伤试验、中子探,伤试验、声透激光扫描显微镜试验、,红外线非破坏性检查试验、,X射线检查试验,试验项目,密封性试验,液浸检漏试验、氦质谱检漏试验、,放射性示踪检漏试验、 温度试验,环境应力试验,震动加速度试验、离心加速度试验、,机械冲击试验、温度循环试验、,热冲击试验,67,高温存储试验,功率（电压）老化试验,寿命试验：,低应力试验,非线性（三次谐波）试验,精密老化试验,68,扫频震动试验,1. 震动试验,：,随机震动试验,震动噪声试验,震动疲劳试验,2. 离心加速试验,3. 冲击试验,低温试验、高温试验、高低温循环试验,4. 温度试验 热冲击试验,热性能试验,机械、环境试验分类,69,示踪气体氦细检漏试验,放射性同位素细检漏试验,晶体管湿热细检漏试验,6.密封试验： 碳氟化合物粗检漏试验,染料浸透检漏粗检漏试验,增重粗检漏试验,7. 湿热试验 恒温湿热试验、交变温湿热试验,70,粒子碰撞噪声监测多余试验,老练试验,盐雾试验,超期复验试验,内部水汽含量试验,8.特殊试验： 辐射试验,键合强度试验,芯片附着强度试验,低气压试验,无重力试验,混响试验,71,集成电路环境试验,集成电路的环境试验是指模拟产品可能遇到的自然条件，在这种环境下的可靠性试验。以检验产品适应环境的能力。,环境试验的目的是用尽可能短的时间再现与实际环境对产品产生的相同影响，用施加能加速产品性能退化过程的应力来模拟集成电路或电子器件的寿命。这些试验对电子器件性能的变化要尽可能的接近器件寿命试验时观察到的影响，以使试验结果可靠。,72,气候条件： 温度、湿度、气压、风、雨、烟雾、盐雾、油雾、腐蚀气体；,2.,机械条件： 震动、冲击、跌落、离心、摇摆、碰撞、失重、爆炸、冲击波,3.,生物条件：霉菌、昆虫,4.,辐射条件： 太阳辐射、核辐射、紫外辐射、宇宙线辐 射、高能单粒子辐射,5.,电磁条件：电场、磁场、闪电、雷击、电晕、放电,6.,人为因素：使用、维修、包装等,73,1. 温度试验,（1）. 低温试验,试验在低温箱内进行,试验目的：确定低温条件下的工作与存储适应性。,试验原理：低温使电子元器件的电参数发生变化，材料变,脆，及零件材料冷缩产生应力等。,低温试验的等级与时间：,温度（,o,C): -10, -25, -40, -55, -65,时间（h)： 0.5， 1， 2， 4， 8,8， 16， 24， 48， 72， 96,温度偏差：3,o,C,74,（2）. 温度循环试验,试验目的：在短时间内承受温度反复变化的能力及不同结,构材料间的热匹配性能。,试验原理：,器件短时间内承受温度的反复变化，承受热胀冷缩 引起的交变应力，此应力会使材料开裂、接触不良、性能变化。可以检测不同结构材料间的热匹配性能，能有效检测贴片、键合、内涂料和封装等存在的潜在缺陷，能加速硅片潜在裂纹的暴露。,试验在高低温箱内进行。,高温与低温的存放时间分别为30分，室温过渡时间小于1分，循环次数3-5次。,75,（3）.恒定湿热试验,试验目的：确定产品在相对高湿度环境下工作与存储的适应性，用于观察在规定时间内恒温高湿对器件性能的影响。,试验在潮湿箱中进行。,条件：温度40,2,o,C，湿度：93% 3%,时间：2, 4，6， 10， 21， 56（天）选一,测试：恒定湿热试验结束后，在大气中恢复1-2小时，立即,测试，并先测对湿度敏感的性能参数，在24小时内测,完。,湿热试验也可以作为一项检漏试验列入工艺筛选项目,76,（4）. 高温试验,目的：,考核电子元器件在高温下性能变化的大小,原理：,在给定的热条件下测试器件的性能，考核其与常温,下性能的差别，即检测器件的抗热能力大小。,试验在高温箱中进行。,高温试验条件,温度（,o,C）：40， 55， 70 ，85， 100，,125, 155, 175, 200, 250,时间（h) : 0.5, 1, 2, 4, 6 , 8,16, 24, 48, 72, 96,每次试验按要求选择一个温度和一个是间，完成后在大气中放置1-2个小时候全参数测量。,77,2. 震动试验,电子产品在运输及使用过程中经常碰到的震动强度与频率环境有：,飞机：震动加速度强度20G; 震动频率30Hz;,火车：震动加速度强度,5.6G；震动频率2Hz8Hz；,坦克：震动加速度强度10G； 震动频率10Hz500Hz；,导弹：震动加速度强度515G，震动频率3000Hz.,震动试验设备提供固定频率和加速度的实验条件，加速,度的范围从50G10000G，频率从2Hz5000Hz，对不同,的产品提供超出使用条件几倍甚至几十倍的强度来试验，,得到可靠的使用保障。,78,震动试验目的：,确定产品承受规定震动等级的能力,试验在振动台进行,用来考核产品的结构，可以做三个方向的震动，在做固定频率、固定加速度的实验中，结构牢固的产品很少失效。试验时，震动等级由振动频率、震动幅度和震动时间决定。,在变频震动实验中半导体器件失效较多，通常表现为外引线折断、内毒键合点脱开、瞬时短路、断路等。,结构不良、粘片或键合不牢、芯片有裂纹以及外来微粘的半导体器件一般可以用变频振动试验检查出来，必要时也可作为高可靠器件的工艺筛选项目，但效果有时比不上离心加速和碰撞试验。,79,（1）震动疲劳试验,也称固定频率震动试验，一般采用：,50Hz的频率，1012G的加速度，在X-Y两个方,向上，或X-Y-Z上个方向上各震动一个小时，到,32 小时，甚至按要求的更长时间。,实验目的：考核被试样品在一定外载荷条件长时间激励,下，处于这种震动状态下的抗疲劳能力,80,（2）. 扫频振动试验,是按对数方式变频的震动频率试验。频率范围 502000Hz；先有低到高增加频率，再由高到低降低频率，每周期20分。每个方向扫描2次以上；检测样品有无共振现象或共振过程对样品的损坏情况。,扫频震动试验时，对微电路作等幅谐振动；加速度分20G、50G和70G三档（196m/s,2,、490m/s,2,和686m/s,2,）,在互相垂直的三个方向上各进行5次。,试验目的：,寻找被试样品在各价固有谐振频率及在该频,率段得耐震能力,81,（3）. 震动噪声试验,试验目的,：考核样品在被试条件下有无噪声产生,试验方法：,试验条件与扫频震动试验基本相同，其加速度值一般小于20G，振动频率在202000Hz范围内随时间按对数变化，在从20Hz到2000Hz在回到20Hz的时间为6、10、30分钟，规定在三个互相垂直的方向上各扫一次，包括与样品表面垂直的方向。,82,（4）. 随机震动试验,试验目的：,检测被试样品在随机激励下抵抗随机震动的能力,试验方法 ：,模拟各种现代环境条件下可能产生的震动，随机震动的振幅具有高斯分布，加速度谱的密度与频率的关系是特定的，频率范围在几十到2000Hz。,试验时间：1，1.6，3,6，9，12，36（h),83,也称碰撞试验,试验目的：,考察样品在运输、碰撞、跌落的过程中不同程度的外载荷重复碰撞下的抗疲劳能力或评估其结构的完整性。,试验在碰撞台上进行。可在三个互相垂直的反方向进行， 对于结构良好的器件，在加速度达100g 的碰撞冲击下很少失效。,碰撞速率为每分钟4080次，加速度等级和碰撞总次数如下：,加速度：10, 15, 25, 40, 50, 75，100G,总碰撞次数：1000, 2000，4000，6000, 10000（,10）,3. 冲击试验,84,离心加速度试验就是利用机械旋转时对样品产生恒定的离心加速度的一种试验。又称为稳定加速度试验。离心加速度可以用下式计算：,式中，n 转速，R旋转半径。G重力加速度,试验目的,：,确定电子元器件在温恒加速度作用下的承受能力，评估其结构的牢度与可靠性,试验在离心机上进行，改变加速度的大小就相当于改变给予芯片或键合点的拉力。粘片、键合不良的器件就能剔除。,4. 离心加速度试验,85,一般电子器件在实际使用时承受的离心加速度并不大，只有飞机起飞、导弹转向、火箭发射时有高的加速度。其数值可以达到10200G。持续时间即使秒到几分钟，战斗机的加速度考虑人的承受力，一般控制在10G内，但高速炮弹的旋转速率高达2000r/s, 装在离中心5cm 处得器件将承受2222G的离心加速度。,对于普通使用的半导体器件，只要通过100G的离心加速度试验就可满足要求，而且，在1000G内器件出现失效的可能性较小，所以，对军品等高使用要求的半导体器件，国际上常用20000G30000G的离心加速度试验，其目的不是模拟实际使用环境，而是检验并筛选掉芯片欠佳，或内引线与键合点强度较差的器件。,86,由于离心加速度试验是逐渐加大的“静态”应力，破坏性较小，对于粘片、键合良好的器件，一般不会受到损伤。它的加速度等级和试验时间如下：,加速度： 5, 10，15， 25, 50，100， 10000， 20000(G),试验时间：1， 2， 5， 10（min),87,5.老化试验,老化试验也叫老练试验,试验目的：,剔除早期失效的元器件,试验原理：,在一定的环境温度下较长时间内对器件连续施加一定的电应力，通过电-热应力的综合作用来加速器件内部的各种物理-化学反应过程，促使隐藏于器件内部的各种潜在缺陷及早暴露，从而达到剔除早期失效产品的目的。,老化筛选的作用：,对器件工艺制造过程中的一系列缺陷如：表面沾污、焊接不良、沟道漏电、硅片裂纹、氧化层缺陷和局部发热点等都有较好的筛选效果；对于无缺陷的元器件，老化也可促使其电参数稳定。,88,老化筛选方法,1.常温静态功率老化,即在室温下老化。半导体的p-n结在正偏打通状态，器件老化所需热应力是通过器件本身所消耗的电功率转换而来。由于器件在老化时，受到热、电的综合作用，器件内部的各种物理、化学反应过程被加速使其潜在缺陷提前暴露并被尽在剔除。这种老化方式不需高温设备，且操作简单，被普遍采用。在器件的安全工作范围内，可以适当加大老化功率（提高器件结温），可以收到更好的效果，并缩短老化时间。,89,为了是老化得到满意的效果。应当注意：,1. 老化设备应当有良好的防自激震荡措施；,2. 老化时，器件电压的增加和减少，应当缓慢，防止电压变,化产生较大的脉冲，损坏器件；,3. 老化后要在标准或规范规定的时间内及时测量器件参数，,否则，老化中超差的部分参数会恢复到原来的值；,4. 为保证晶体管能在所能承受的最高结温下老化，应准确测,量晶体管热阻。,对集成电路来说，由于其工作电流和电压都受到较大限,制自身的结温温升很小，如不提高环境温度，很难达到有效,老化所需的温度。因此，常温静态功率老化只在部分集成电,路（数字电路、线性电路）中应用。,90,2. 高温静态功率老化,它与常温静态功率老化在加电方式、试验电路形式等方面都相同，差别是环境温度不同。因为环境温度较高，集成电路的结温就可达到很高的温度。所以，一般讲，高温功率老化的效果比常温功率老化的效果好。,我国军用集成电路和其它电子元器件标准中，明确规定必须进行高温功率老化。具体条件是：,在产品规定的额定电源电压、额定负载、输入信号及线路进行老化，老化温度：125,o,C,3,o,C;,老化时间：168 h(可根据需要确定）,老化过程中每8小时测试一次参数。民品的功率老化条件可减低。,91,结温的近似计算,在热阻未知的情况下，结温的近似计算方法如下：,二极管和晶体管,a.,小功率 晶体管,T,j,= T,A,+30,（,o,C),二极管,T,j,= T,A,+20,b.,中功率,晶体管,T,j,= T,c,+30,二极管,T,j,= T,c,+20,T,j,T,c, T,A,分别为结温、管壳温度与环境温度,2.,集成电路,a.,门数不大于,30,或晶体管数不大于,120,个（存储器除外）,T,j,= T,A,+10,（,o,C),92,b. 门数大于30， 或晶体管数大于120个，包括存储器,T,j,= T,A,+25 （,o,C),c. 低功耗TTL及MOS电路,门数不大于30或晶体管数不大于120,T,j,= T,A,+5 （,o,C),门数大于30或晶体管数大于120,T,j,= T,A,+13 （,o,C),93,3. 高温反偏老化,在高温反偏老化中，对电子器件的p-n结加的是反偏电压，器件内部只有很小的反向电流，几乎不消耗功率。这种老化方式对剔除有表面效应缺陷的器件特别有效，因而在一些反向应用的半导体器件的老化试验中得到广泛应用。,4. 高温动态老化,高温动态老化主要针对数字电路。这种老化方式是在被老化器件的输入端由脉冲信号驱动，是器件不停地处于翻转状态，它很接近与器件的实际应用状态。,94,高温老化试验电路有串联开关和并联开关两种试验电路。,串联开关试验电路,又称环形计数器电路。特点是：把全部受试器件的输入、输出端串联起来组成一个环形计数电路。由于前级得输出就是后级的输出，即后一级就是前级的负载，从而无需外加激励信号和外加负载，所以设备简单，容易实现。缺点是任一级器件失效，整个环形震荡器中断工作，试验停止，直到更换失效损坏器件后，试验才重新开始。,并联开关试验的电路,特点是：试验器件与激励电源并联，每个被试器件都能单独有外加开关电压驱动，每个被试器件的输出端都可结一个模拟最大值的负载，避免了串联老化时一个器件失效，整个试验停止的缺点。,95,高温动态老化试验条件：,在最高额定工作电压和最高额定温度下老化168 240小时，如军用器件可选择100168小时，宇航器件240小时，而民用器件通常只用几个或十几个小时。,无源器件的老化：,对电阻电容的等无源器件，通常彩玉偶那个高温老化，即 在电容器最高额定工作温度下施加额定电压，持续96100h,剔除因介质缺陷导致的短路、击穿等。另外也能剔除电解液泄漏，对没有瑕疵的电容，也能因老化消除介质中的内应力使容量稳定。电阻的高温老化能剔除电阻薄膜缺陷等产生的失效。,96,5.与外引线有关的试验,外引线可焊性试验,目的：考核外引线接受低熔点焊接的能力。,原理：在给定条件下，将经过水汽老化预处理的元器,件外引线浸入规定组分规定温度的融锡中，经,过规定时间后，检查外引线的涂锡能力。,设备：焊料槽、水汽老化室、焊剂、焊锡、温度计、,焊接夹具等,可能暴露缺陷：外引线可焊性差。,97,2.外引线牢固性试验,目的：考核元器件外引线在拉力、扭矩、弯曲、疲劳应力,作用下的引线牢固性和封装密封性。,原理：让外引线承受一定的拉力、扭矩、弯曲、疲劳应,力，若外引线出现裂纹、断裂、引线与基体间出现,裂纹、断开等现象，则表明该引线的强度不高，引,线焊接不牢或密封性不好。从而判断其外引线的牢,固性与封装密封性。,可能暴露的缺陷：外引线的牢固性与封装密封性。,98,6. 密封性试验,1.碳氟化合物粗检漏试验；,2.染料浸透粗检漏试验；,3.增重粗检漏试验；,4.晶体管湿热检电子元器件密封性试验；,5.放射性同位素细检漏试验；,6. 示踪气体氦细检漏试验,99,湿热试验,恒定湿热试验,目的：检验器件在高温高湿条件工作或存储的能力,原理： 器件在恒温、恒湿条件下，水汽借助温度以扩散、,热运动、毛细呼吸等作用进入封装器件内部，从而,加速金属材料的腐蚀和绝缘材料的老化，此外还会,引起器件参数的变化。,2.,交变湿热试验,目的：检测器件在交变的高温高湿条件下的适应能力,原理：高温和高湿能显著加强水汽进入封装内部的能力，比,恒温湿热试验的条件更加恶劣。,100,7 特殊试验,x,射线检查试验,目的：,用非破坏性的方法检测器件封装内部的缺陷，特别是密封工艺带来的外来物质、错误的内引线连接、芯片附着材料中的空隙等内部缺陷。,X,射线检测是非破坏性的，有双重作用：可用作失效分析；在制造过程中用来检验金属与塑料组装工艺，剔除工艺有缺陷产品。是国外半导体器件厂的系统检测手段。,原理：,透过材料的,x,射线强度随材料的吸收系数和厚度衰减，,x,射线检测是根据样品不同部位对,x,射线的吸收率和透射率的不同，利用不同部位对透射,x,射线强度的检测比较，来发现缺陷。,设备：,x,射线检测仪,101,可检测缺陷：,芯片粘片、引线损伤、引线形状、焊接质量、,封装异物和封装密封性等各种缺陷。,2. 超声扫描显微分析,目的：,利用超声波反射模式的声学成像原理，非破坏性地查找元器件封装存在的物理缺陷,原理：,利用超声波波长短、直线传播，在任何界面都会反射、碰到空气,100%,反射的性质，使由超声换能器产生的5-,200MHz,的超声波，经声学透镜聚焦，由耦合介质传到样品，透射进样品并被样品内部的某个界面反射，形成回波，通过回波收集、处理、锁定回波界面，扫描成超声图像，发现器件内部的缺陷。该方法在材料分析方面有其他技术无法比拟的优点，能观察到无法用显微镜发现的缺陷，能提供x射线无法得到的高衬度观察，特别能应用於不适合用破坏性物理分析的场合。,102,可能暴露的缺陷,a 模塑化合物与引线框架、芯片基座间的分层；,b 模塑化合物的空洞和裂纹,c 芯片粘结材料中的未粘结区域和空洞等,此外还有扫描电镜分析、俄歇电子能谱分析等,103,静电损伤、防护与试验,静电的产生,对器件有影响的静电的产生主要是摩擦和感应。,当两种具有不同电子化学势或费米势的材料互相接触时，电子将从化学势高的材料相化学势地的材料转移，在分离时，总有部分转移电子来不及返回原来材料，从而造成这两种原来电中性的材料带电。对绝缘体，电荷总是分布在外表面，而带电量的多少，即电位的高低与材料及分离的快慢有关。当两种材料摩擦时，是多次接触,-,分离的过程，摩擦面积大、分离速度快，静电电位就高。实际测量表明，摩擦产生的静电电位可以高达几百到几千伏。,静电电位的高低还与表面洁净度、环境湿度、接触压力等有关。,104,人体的静电可来源于活动和静电感应,。,人体与衣服、鞋袜、地板、工具、桌椅等接触时，可以产生很高的静电压。,人体活动,静电压（湿度10-20%）,静电压（湿度65-90%）,在合成纤维地板走动,35000V,1500V,在聚乙烯地板走动,12000V,250V,在工作台上操作,6000V,100V,翻动乙烯树脂封面,7000V,600V,拾起普通聚乙烯袋,20000V,1200V,坐在聚乙烯泡沫垫椅上,18000V,1500V,在塑料台上滑动塑料盒,18000V,1500V,从印制板上拉胶带,12000V,1500V,用氟利昂喷洒清洗电路电路板,15000V,5000V,105,人体电阻较低，对静电是良导体，手脚间电阻只有几百欧姆，手指间有几千到几十千欧姆，在静电场中恨意感应带电，且一处带电就全身带电。,人体静电压反比于人体电容，人体对地电容主要是脚底板对地电容，一般的人体电容值在50250PF，典型值在150PF，故带少量的电就可有很高的静电压。,人员操作速度越快，静电位越高，湿度越低静电位越高，衣服鞋袜等与地面的电阻越高，静电电位越高。,另外，静电尘埃对器件工艺也会产生影响，主要对光刻、氧化、外延、刻蚀等工艺产生影响。,人体静电对器件的危害主要在测试、打印、包装等与引线触摸过程，尤其是许多人并不知道人体会产生如此高的静电。,106,器件的抗静电能力主要由于器件的结构、输入端抗静电保护电路的形式、版图设计和制造工艺等因素决定。对静电敏感电子器件的静电敏感电压等级为：,107,按元器件类型列出的静电敏感度分级,级别,元器件类型,敏感电压范围,01999V,微波器件、肖特基二极管、点接触二极管、闸流管、分离型MOS管、结型场效应晶体管、声表面波器件（SAW）、电荷耦合器件（CCD）、薄膜电阻器、集成电路、运算放大器（OP、AMP）、超高速集成电路（VHSIC）、混合电路（一级元器件）,敏感电压范围,2000,3999V,分立型MOS场效应晶体管、结型场效应晶体管（JEFT）、低功率双极型晶体管（Pout100mW, IcPout100mW，400mAIc100mA)、光电器件、发光二极管、光敏器件和光耦合器件、运算放大器、集成电路、超高速集成电路、其它微电路、混合电路（三级元器件）、片式电阻器、压电晶体,108,静电损伤的表现,静电对电子元器件的损伤相当复杂，有时表现为突发性失效，还会出现缓慢性失效具有一定的随机性和隐蔽性表中列出了静电对元器件的损伤类型与机理模式：,元器件类型,被损伤的结构,失效机理,失效模式,MOS场效应晶体管,数字集成电路,线性集成电路,混合电路,MOS电容器,MOS结构,高电压、大电流造成的介电击穿,短路、漏电流增大,二极管、闸流管、TTL（数字、线性）,MOSFET、JEFT,MOSIC的输入保护电路,半导体p-n结,能量过大或过热造成为等离子区二次击穿；电迁移使电流增大,参数漂移或失去二极管、晶体管功能,109,元器件类型,被损伤的结构,失效机理,失效模式,混合电路或单片集成电路中的电阻器,薄膜电阻器,介电击穿、随电压增加产生新的电流通路，因焦耳热产生破坏性通路,电阻漂移,单片IC或混合电路,金属互联线,与焦耳热有关的断条,开路,用非石英或陶瓷封装的VSLC和存储器，尤其对紫外敏感的EPROM,场效应结构和非导电外壳,由于静电放电在其表面上积存的离子引起表面转化或阈值电压漂移,工作性能降低,晶体振荡器,声表面波器件,压电晶体,静电压过高时，因机械力使晶体碎裂,工作性能降低,上表面波器件、非金属外壳、芯片表面未钝化的半导体器件,间距很近的电极,电弧放电软化和熔化电极金属,工作性能降低,110,静电防护,国家军用标准GJB1649-93电子产品防静电控制大纲将敏感电子产品规定为静电放电电压在16000V以下的电子产品，及报考元器件，也包括电子组件和电子设备。电子设备和设计系统应能为最敏感的元器件提供不低于400V的静电反放电防护能力。,静电防护要贯彻与器件设计、制造、测试、试验、传递、包装、运输和和使用的全过程、各环节。首先要在器件设计时在芯片上设计制作各种静电保护电路或保护结构，提高器件的抗静电能力，然后，在器件使用时制定、执行各种防静电措施，减少器件受到的静电影响。这些措施可以罗列如下：,1. 避免使用产生静电的材料，采用专门的防静电塑料或橡胶，来制作各种容器、包装材料、工作台、设备垫、地板等，避免静电的产生和积累（表面电阻100K1M,）,111,2. 采用防静电的泡沫塑料、包装袋、包装盒等包装器件，在验收、入库，特别是运输更应检查防静电包装的完整。,3. 操作者要穿戴防静电的工作服和鞋子，不能穿化纤、尼龙、涤纶工作服和绝缘鞋。,4. 器件工作区内的相对湿度不应低于50%，避免静电的积累。,5. 对各种可能产生静电的物体和人，提供各种放电通路，如为仪器设备作良好的接地，为人提供肘带、腕带、脚带，并通过,1M,电阻接地，将所有表面可靠接地的方法是有效的防静电措施。,6. 在不能用接地方法的传送带、工作环境、仪表面板等，可以在起表面喷洒抗静电剂、安装空气电离器等来中和静电，防止积累。,112,静电放电敏感度试验,试验目的：给出电子元器件或微电路承受静电放电的能,力，及其受静电放电作用造成的损伤和退化的敏感,度，对器件和微电路进行静电敏感度分级，该试验,为破坏性试验。,试验原理：通过模拟人体、设备或器件放电的电流波形，,按规定的组合或顺序，对器件或微电路个引出端放,电，找出造成它们损伤的阈值放电电压，即 找出造成,器件或微电路的性能参数的变化量超过规定值的最小,放电电压。,试验设备：静电敏感度测试仪,113,抗辐照试验,微电子器件的抗辐照试验主要分辐射总剂量试验、瞬时剂量辐照和单粒子效应试验。抗辐照试验是航空、航天装备、核反应堆中电子器件必须的试验。,辐照总剂量试验,试验目的：,辐射总剂量指电子元器件在,射线,辐照环境下的器件性能产生严重退化或损坏前所承受的总吸收辐射的能力，辐照总剂量与辐照时间成正比，与射线的辐射强度成正比。,剂量单位用,rad(si),表示，即 辐照积存在,1,克,Si,中的能量。,试验原理：,当高能量的,射线入射器件后,，,光子穿透,Si,衬底，在其中产生大量的电子,-,空穴对，它将向,p-n,结和沟,114,道区移动，造成p-n结漏电、穿通和使MOS器件的n沟道开启电压降低，直至过零，使p沟道开启电压上升，从而使MOS器件失效。,我国集成电路的军用抗辐照剂量是1x10,5,rad,美国的标准是5x10,6,rad.,辐照试验设备：,一般都采用Co,60,辐射源，平时沉降安放到20米的深井中，试验时上升到地面，试验样品放置在距离源的一定位置上，根据样品距离源的远近、辐照时间，确定每次辐照的剂量。每次辐照完成后，沉降辐射源，取出样品立即测试其性能参数。再做下次辐照、测试，直到器件损坏，算出所有辐照次数的累积剂量。,115,2. 瞬时辐照剂量,试验目的：,考核电子元器件承受单次高剂量辐照的能力。,试验原理：,相对于总剂量辐照，采用的辐照强度较低，在 达到辐照总剂量之前，器件的性能参数是逐步改变的，在实际使用中，如果器件受到突然的高剂量辐照，很可能器件立即损坏，瞬时剂量辐照正是考核器件承受最高单次强辐照的能力。,试验设备：,采用能产生瞬时强辐照的,射线,放射源（俗称放炮），使器件接受单次瞬时高强度辐照，然后立即测试电子元器件的性能参数。,有高的抗总剂量辐照能力不一定具有好的抗瞬时辐照能力，反之亦然。,116,3. 单粒子效应试验,在宇宙空间除了比地面强千百倍的,射线辐照、电磁辐照外，还有少量的的高能粒子，它们单个粒子的能量高达几百上千万电子伏特，集成电路如果被其正好击中，会产生强烈的性能扰动或立即损坏。,单粒子效应对不同的器件类型、不同的工艺制备的器件有不同的影响，下表列出了单粒子效应的不同类型：,117,类型,英文缩写,定义,单粒子翻转,SEU（single event upset),存储单元逻辑状态改变,单粒子闭锁,SEL(single event Latchup),PN结构中的大电流再生状态,单粒子烧毁,SEB(single event burnout),大电流导致器件烧坏,单粒子栅穿,SEGR(single event gate rupture),栅介质因大电流而击穿,单粒子多位翻转,MBU(multiple bit upset),一个粒子入射导致春初单元多个位的状态改变,单粒子扰动,SED(single event disturb),存储单元逻辑状态出现瞬时改变,单粒子瞬态脉冲,SET(single event transient),瞬态电流在混合逻辑电路中传播，导致输出错误,单粒子快速反向,SES single event snapback),NMOS器件中产生大电流再生,单粒子功能中断,SEF(single event functionalinterrupt),一个翻转导致控制部件出错,单粒子移位损伤,SPDD(single particle displacement damage),因位移效应产生的永久损伤（晶格错乱）,单粒子位硬错误,SHE(single harderror&stuck at bit error),单个位出现不可恢复性错误,118,辐照试验可能暴露的缺陷,漏电流增大、工作速度改变、参数和功能失效、增益下降、灵敏度降低、衰减增大、翻转、栅穿、闭锁、暗电流增大、效率退化等。,119,可靠性试验方案的设计,进行元器件可靠性试验的设计主要遵循以下步骤：,1. 明确试验目标；,2. 查阅相关标准、规范、确定试验方案（包括试验项目、,试验条件、试验方法和失效判据等；,3.可靠性试验的准备工作，包括试验样品的准备、测试、,试验设备、工装夹具的准备和调试工作；,4. 进行试验；,5. 数据分析、处理，给出试验结论。,120,一.有具体标准规定的可靠性试验设计,对元器件作有具体标准规定的可靠性试验时，主要是查阅相关的试验标准，在相关的标准中明确以下内容后即可执行。,了解可靠性试验和各项单项试验的试验目的和适应性；,了解该实验的技术指标，如环境技术指标：高温、低温、适度、时间、周期、循环次数；机械技术指标：峰值加速度、持续时间、频率范围和振动幅值；,试验等级（严酷程度）的选择；,试验的方法和步骤的具体要求，如：预处理、初始测量、中间测量和样品恢复条件试验；,对试验设备的要求；,121,f. 查具体元器件的标准对环境试验的要求，并按要求执行。,举例说明：单片集成电路JM88SC1616鉴定、检验试验项目,和程序. 试验等级：B,参考标准：GJB548548B2005,1.试验目的,：单片集成电路JM88SC1616加密存储器B级鉴定,检验,2.鉴定检验依据,：Q/FC20245-2008- JM88SC1616加密存储器电路详细规范；GJB548B2005微电子器件试验方法。,3.鉴定检验样本,：母体数至少是2倍试验样品数，合格检验批样 品至少216只，特殊情况允许不使用合格样品,122,使用样品从合格批中随机选取，这些器件可以是不经过老化的，对批量小于所要求的小批量产品，批中每个器件度应当受到两次试验。,4.鉴定检验个分组测试、试验项目、条件、失效判据、允许失效率,A,组电性能考核试验,主要考核器件在常温、最高、最低温度范围内的电性能是否满足详细规范要求，测试的依据主要是规范中的电性能参数表，详细规范中应给出满足此器件要求的详细测试方法作为电性能测试的依据。,B,组物理性能考核试验,主要考核器件的标识、物理尺寸、外观、外引线内部封装工艺和芯片表面是否满足相关标准或详细规范要求。,123,c. C组寿命考核试验,主要考核器件是否达到标准规定的寿命要求，按照详细规范规定的要求，对器件进行加电/热应力，在规定的时间能失效满足详细规范规定的判据要求。,d. D组气候与机械环境考核试验,主要考核与封装有关的项目，包括考核封装耐机械振动、离心加速度、机械冲击能力、耐交变湿热能力、耐温度循环应力能力。经过考核的产品不但电性能满足规范要求，在外观、引线和密封等方面也能满足相关试验标准要求。,e. E组耐辐射强度考核试验,主要考核器件耐辐射总剂量和单粒子效应能力。,5. 鉴定检验试验数据的处理和出具鉴定报告,通过上述各项分组试验并满足合格判据，可以出具合格报告,124,6. 失效分析报告和纠正措施报告,鉴定试验过程出现失效时，可以组织产品承制方进行失效分析，根据失效分析结论采取有效的纠正措施并经过验证，然后根据情况可以进行第二次鉴定检验。,二、无具体标准规定的可靠性试验设计,对有些无具体试验标准的元器件，如一些特殊试验项目，制定可靠性