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)、重摻雜和小面積擴散，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ǎ焖贉?zhǔn)備地進行失效分析，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。例如未進行水汽控制的晶體管在長期貯存中，水汽會進入管殼，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。