電子知識(shí):半導(dǎo)體器件鑒定試驗(yàn)技術(shù)的研究

1 引言 　　

　　眾所周知，可靠性鑒定工作對(duì)保證半導(dǎo)體器件質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要，無(wú)論是新品研制，還是成熟產(chǎn)品（老品）生產(chǎn)，無(wú)不以鑒定試驗(yàn)作為檢驗(yàn)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(yàn)，半導(dǎo)體器件鑒定工作共有各類試驗(yàn)20余組，需要樣品100余個(gè)?？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(yàn)不僅對(duì)半導(dǎo)體器件質(zhì)量，對(duì)半導(dǎo)體器件生產(chǎn)方提出了高要求，也對(duì)試驗(yàn)方，即鑒定方同樣提出了高要求。半導(dǎo)體領(lǐng)域長(zhǎng)期對(duì)前者十分重視，投入了大量人力、物力進(jìn)行研究，然而對(duì)試驗(yàn)技術(shù)方面的研究，相對(duì)容易被忽視，研究成果相對(duì)缺乏，某些領(lǐng)域甚至接近空白。

　　由于試驗(yàn)的錯(cuò)誤，將不合格批次判為合格，造成不良后果的實(shí)例目前較少。而由于試驗(yàn)的錯(cuò)誤，特別由于試驗(yàn)組數(shù)目眾多，大部分LTPD判據(jù)又采用" 零失效"（指試驗(yàn)中如有一個(gè)被試件失效，即判該產(chǎn)品不合格）的情況下，在百余個(gè)樣品中只要誤判一個(gè)器件，必然將整批器件判為"死刑"。這不僅會(huì)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(huì)影響半導(dǎo)體器件使用方的工作進(jìn)度。這種試驗(yàn)錯(cuò)誤的實(shí)例很多，例如誤將壓力表的表壓作為絕對(duì)大氣壓，從而加嚴(yán)了檢漏判據(jù)，這樣的"低級(jí)"錯(cuò)誤經(jīng)調(diào)查存在于相當(dāng)多的鑒定試驗(yàn)中。

　　由于生產(chǎn)方相對(duì)于鑒定方是"弱勢(shì)"群體，一般難以檢查"考官"的試驗(yàn)技術(shù)細(xì)節(jié)，因此對(duì)半導(dǎo)體鑒定試驗(yàn)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(yàn)中的正弦振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)，并且認(rèn)為，振動(dòng)夾具的正確設(shè)計(jì)對(duì)保證振動(dòng)試驗(yàn)正確的重要性。

2 一起誤判的鑒定試驗(yàn)案例

　　某廠（以下稱甲廠）生產(chǎn)的一新品由某檢測(cè)中心（以下簡(jiǎn)稱檢測(cè)中心）負(fù)責(zé)鑒定檢驗(yàn)。對(duì)正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，由于是新品，按常規(guī)采用甲廠檢定計(jì)量合格的振動(dòng)臺(tái)及甲廠設(shè)計(jì)的與振動(dòng)臺(tái)及新品配套的夾具，由檢測(cè)中心監(jiān)督試驗(yàn)。正弦掃頻振動(dòng)的試驗(yàn)中，試驗(yàn)頻率為20～3000Hz；振動(dòng)加速度為20g；掃頻時(shí)間共48min。

　　試驗(yàn)后，氣密性檢查顯示有兩個(gè)被試件因大漏（氣）而"不合格"。由于振動(dòng)臺(tái)、夾具都是甲廠的，且由該廠人員操作，因此甲廠對(duì)試驗(yàn)結(jié)果毫無(wú)異議，準(zhǔn)備改進(jìn)設(shè)計(jì)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(yù)，且錯(cuò)誤試驗(yàn)結(jié)論引導(dǎo)的"改進(jìn)設(shè)計(jì)"的方向也難以正確。

　　應(yīng)該說(shuō)，檢測(cè)中心已經(jīng)完成了任務(wù)，但工作人員根據(jù)振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)知識(shí)，曾在試驗(yàn)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(jì)人員當(dāng)時(shí)沒有對(duì)夾具作進(jìn)一步測(cè)試。

　　甲廠夾具結(jié)構(gòu)主要有以下兩個(gè)疑點(diǎn)：

　　（1）振動(dòng)夾具由平行于振動(dòng)臺(tái)面的一塊正方形基板和一塊垂直于振動(dòng)臺(tái)面的П型主板以及一根矩形水平梁三部分組成，通過(guò)水平梁用螺桿螺接。其中П型板采用兩側(cè)焊接，焊縫很長(zhǎng)，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(duì)夾具影響大，即使夾具設(shè)計(jì)合理，也難以保證被試件處于正確的試驗(yàn)應(yīng)力。

　　為保證鑒定試驗(yàn)正確，檢測(cè)中心對(duì)甲廠的夾具測(cè)試其振動(dòng)響應(yīng)曲線，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

　　從圖1明顯看出，甲廠設(shè)計(jì)的夾具在試驗(yàn)頻率（20～3000Hz）范圍內(nèi)確實(shí)多次發(fā)生了共振，從而使施加于被試樣品上的實(shí)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(cè)中心的設(shè)計(jì)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(diǎn)。測(cè)試的振動(dòng)響應(yīng)曲線顯示，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)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(yàn)，無(wú)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(diǎn)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(diǎn)，但實(shí)際是難以實(shí)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(gè)條件中的一個(gè)。

　　如考慮阻尼ξ，并不影響上述定性結(jié)論，但對(duì)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(jiǎn)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(jì)出合用的夾具。當(dāng)然，實(shí)際夾具的設(shè)計(jì)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(gè)較佳的比值，即4.7，夾具的重心應(yīng)盡量低，盡量和振動(dòng)臺(tái)臺(tái)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(jì)時(shí)可以參閱有關(guān)資料。

3 夾具是試驗(yàn)正確的重要因素

　　這里對(duì)夾具的討論分析有兩點(diǎn)說(shuō)明：（1）鑒定檢驗(yàn)中需使用夾具的不只在振動(dòng)試驗(yàn)中，在其他必須使用夾具的試驗(yàn)中夾具同樣對(duì)試驗(yàn)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(duì)夾具設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)技術(shù)只作簡(jiǎn)要討論，以圖引起重視和指明研究思路。深入涉及機(jī)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(dòng)夾具的基本要求

　　簡(jiǎn)單說(shuō)，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(jiǎn)化的力學(xué)模型

　　為便于討論，將振動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化成如圖2所示的力學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)彈簧k、一個(gè)阻尼c和一個(gè)由夾具、動(dòng)圈、樣品等合成的質(zhì)量塊m組成。設(shè)（振動(dòng)臺(tái)）輸入激勵(lì)振動(dòng)頻率為f，輸入信號(hào)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(dòng)頻率f的變化曲線。理論推導(dǎo)可得傳遞率的絕對(duì)值|T|為[1]

　　對(duì)式（1）進(jìn)行定量分析。首先忽略阻尼ξ，令ξ=0，則式（1）簡(jiǎn)化為

　　3.4 夾具振動(dòng)響應(yīng)曲線的測(cè)試

　　經(jīng)過(guò)理論分析設(shè)計(jì)的夾具能大大減少盲目設(shè)計(jì)的工作量。但由于實(shí)際情況更為復(fù)雜，對(duì)新設(shè)計(jì)的夾具仍必須作嚴(yán)格的振動(dòng)響應(yīng)曲線的測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　使用設(shè)計(jì)合理、經(jīng)過(guò)振動(dòng)響應(yīng)曲線嚴(yán)格檢測(cè)的夾具是保證振動(dòng)試驗(yàn)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(duì)夾具設(shè)計(jì)技術(shù)的研究工作相對(duì)薄弱，錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)有可能使鑒定試驗(yàn)的結(jié)果偏離真實(shí)結(jié)果。

　　這一案例說(shuō)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(yàn)技術(shù)的研究和半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)、工藝的研究同樣重要。這個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的深入研究不僅對(duì)鑒定試驗(yàn)機(jī)構(gòu)重要，對(duì)半導(dǎo)體器件研究和生產(chǎn)領(lǐng)域也是非常重要的。