半導(dǎo)體器件的貯存壽命

半導(dǎo)體器件的貯存壽命時間：2008-09-0308:34來源:可靠性論壇作者:張瑞霞，徐立生，高兆豐點擊：1291次1引言高可靠半導(dǎo)體器件在降額條件（Tj=100°C）下的現(xiàn)場使用失效率可以小于1O-8/h，即小于10FIT,按照偶然失效期的指數(shù)分布推算，其平均壽命MTTF大于108h,即大于10000年。據(jù)文獻(xiàn)報導(dǎo)，電子元器件的貯存失效率比工作失效率還要小一個數(shù)量級1引言高可靠半導(dǎo)體器件在降額條件（Tj=100C）下的現(xiàn)場使用失效率可以小于10-8/h，即小于10FIT，按照偶然失效期的指數(shù)分布推算，其平均壽命MTTF大于108h，即大于10000年。據(jù)文獻(xiàn)報導(dǎo)，電子元器件的貯存失效率比工作失效率還要小一個數(shù)量級，即小于1Fit。國內(nèi)航天用電子元器件有嚴(yán)格的超期復(fù)驗規(guī)定，航天各院都有自己的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容大同小異［1］。半導(dǎo)體器件在I類貯存條件下的有效貯存期最早規(guī)定為3年，后放寬到4年，最近某重點工程對進(jìn)口器件又放寬到5年，比較隨意。同時規(guī)定，每批元器件的超期復(fù)驗不得超過2次。美軍標(biāo)規(guī)定對貯存超過36個月的器件在發(fā)貨前進(jìn)行A1分組、A2分組以及可焊性檢驗［2］，并沒有有效貯存期的規(guī)定。在俄羅斯軍用標(biāo)準(zhǔn)中，半導(dǎo)體器件的最短貯存期一般為25年，器件的服務(wù)期長達(dá)35年，和俄羅斯戰(zhàn)略核武器的設(shè)計壽命30年相適應(yīng)。然而，國內(nèi)對于半導(dǎo)體器件的貯存壽命尤其是有效貯存期有著不同的解釋，在認(rèn)識上存在著誤區(qū)。國內(nèi)的超期復(fù)驗的規(guī)定過嚴(yán)，有必要參考美、俄的做法加以修訂，以免大量可用的器件被判死刑，影響工程進(jìn)度，尤其是進(jìn)口器件，訂貨周期長，有的到貨不久就要復(fù)驗，在經(jīng)濟上損失極大。2芯片和管芯的壽命預(yù)計高可靠半導(dǎo)體器件通常采用成熟的工藝、保守的設(shè)計（余量大）、嚴(yán)格的質(zhì)量控制、封帽前的鏡檢和封帽后的多項篩選，有效剔除了早期失效器件。用常規(guī)的壽命試驗方法無法評估其可靠性水平，一般采用加速壽命試驗方法通過阿列尼斯方程外推其MTTF，其芯片和管芯的壽命極長，通常大于108h，取決于失效機構(gòu)激活能和器件的使用結(jié)溫。隨著工藝技術(shù)的進(jìn)展，半導(dǎo)體器件的激活能每年大約增長3%。據(jù)報道1975年的激活能為06eV，1995年增長到10eV，其MTTF每隔15年增長一倍，加速系數(shù)每隔5年增長一倍?；衔锇雽?dǎo)體器件微波性能優(yōu)越，可靠性高，自80年代以來，在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。已報道的GaAsFET,HBT,MMIC電路的激活能一般都大于15eV即加速系數(shù)非常大。MTTF的報道在109?1011h，外推至溝道溫度100°C。加速壽命試驗?zāi)鼙┞缎酒蚬苄镜闹饕C理有：金屬化條電遷移、氧化層中和氧化物與半導(dǎo)體界面上的可動電荷、電擊穿、界面上的金屬化與半導(dǎo)體的相互作用以及金屬間化合物等。3超期復(fù)驗和有效貯存期由于半導(dǎo)體器件的芯片和管芯的壽命極長，因此超期復(fù)驗的重點應(yīng)關(guān)注與器件封裝有關(guān)的失效機理。例如器件的外引線在多年貯存以后，有的會產(chǎn)生銹蝕，影響到可焊性，在裝機后易產(chǎn)生虛焊故障和密封性不良的器件。在長期貯存中，水汽會進(jìn)入管殼，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，使內(nèi)引線鍵合失效或電參數(shù)退化。不過對于密封性良好的器件，如漏率小于10-9Pa;m3/s，其腔體內(nèi)外90%氣體交換時間為20年，可以忽略外部水汽的影響。在美軍標(biāo)MIL-M-38510微電路總規(guī)范中規(guī)定：對制造廠存放超過36個月的微電路在發(fā)貨前只要求重新進(jìn)行B-3分組的可焊性試驗，不要求重新進(jìn)行A組檢驗，也沒有有效貯存期的限制。俄羅斯對電子元器件的貯存性評估方法已制定了標(biāo)準(zhǔn)［3］，其中有加速貯存和長期貯存兩種試驗方法，即使采用了加速貯存方法，也要積累多年的數(shù)據(jù)，也只能部分替代常規(guī)貯存試驗。因此俄羅斯對其軍用電子元器件最短貯存期限分檔為15，20，25,30，35年是有充分依據(jù)的。我國航天部門提出的有效貯存期的依據(jù)并不充分，其3?5年的規(guī)定比較保守，各部門提出的規(guī)定也大同小異，建議對電子元器件制定統(tǒng)一的超期復(fù)驗標(biāo)準(zhǔn)。有必要吸收俄羅斯的經(jīng)驗，因其標(biāo)準(zhǔn)體系相當(dāng)嚴(yán)密，基礎(chǔ)工作非常扎實，俄羅斯“和平號空間站”設(shè)計壽命為5年，而實際服務(wù)期限已超過15年，就是很好的例證。4半導(dǎo)體器件長期貯存實例4.1美國宇航級晶體管JANS2N2219AL為硅npn開關(guān)晶體管，PCM為800mW，采用TO39封裝，該批器件的生產(chǎn)日期為1980年，數(shù)量為42支。宇航級晶體管為美國軍用半導(dǎo)體器件中最高的產(chǎn)品保證等級，它體現(xiàn)了當(dāng)時半導(dǎo)體器件的最高質(zhì)量水平。我們從1998年開始對該批器件進(jìn)行了一系列的試驗和檢測，并于1999年進(jìn)行了報道［4］。當(dāng)時任抽10支管子進(jìn)行過6000h的全功率壽命試驗，試驗以后電參數(shù)變化極小，hFE先略微變大，過峰值后又略微變小，相對變化幅度小于2%。當(dāng)時這批器件已經(jīng)貯存了17年，可見長期貯存對它的使用可靠性無影響。2006年又對全部樣品進(jìn)行了電參數(shù)復(fù)測，hFE和1998年的參數(shù)全部吻合，沒有明顯的變化，證明了宇航級器件在實驗室條件下貯存壽命極長，到目前為止已經(jīng)貯存26年沒有發(fā)現(xiàn)電參數(shù)有任何退化，并且外引線鍍金層厚度為3^m，氣密性全部合格，內(nèi)部水汽含量抽檢2支為2156和2343X10—6，均小于5000X10—6，管殼內(nèi)99.7%為氮氣，氧含量僅為100X10—6。4.2特軍級晶體管JTX2N2405為硅npn開關(guān)晶體管，PCM為1W,TO-39封裝，生產(chǎn)日期為1974年，已經(jīng)貯存了32年。特軍級晶體管的質(zhì)量等級高于普軍級（JAN）,該批器件數(shù)量較大，共206支，管芯的圖形較大，ICM為1A，內(nèi)引線用金絲，在管芯處為球焊鍵合，為70年代的典型鍵合工藝。在貯存期間，對電參數(shù)進(jìn)行過多次檢測，全部符合規(guī)范要求，僅有1支管子，小電流hFE（1mA處）有退化跡象。管子的外引線鍍金層質(zhì)量良好，沒有銹蝕現(xiàn)象，任抽10支樣管做可焊性試驗，全部合格，氣密性經(jīng)檢測漏率小于109Pam3/so4.3早期的宇航級晶體管JANS2N2222A為硅小功率開關(guān)晶體管，TO-18封裝，相當(dāng)于國產(chǎn)管3DK3，該批產(chǎn)品共5支，生產(chǎn)日期為1971年，已經(jīng)貯存了35年，是美國TI公司早期生產(chǎn)的宇航級晶體管。經(jīng)電參數(shù)檢測，全部符合規(guī)范要求，hFE在微電流下也沒有退化。該管內(nèi)引線采用當(dāng)時典型的金絲球焊工藝，經(jīng)過DPA檢測，內(nèi)引線鍵合拉力為2.9?6.5g，芯片剪切力為1.98kg。由于金絲和鋁膜的鍵合在高溫下會產(chǎn)生多種金鋁化合物，嚴(yán)重時會產(chǎn)生開路失效，因此TI公司在80年代生產(chǎn)的宇航級晶體管2N2219中內(nèi)引線使用鋁絲超聲鍵合工藝，消除了金鋁化合物的失效模式。從DPA的數(shù)據(jù)來看，金絲球焊的鍵合拉力在貯存35年后，確有退化，2.9g數(shù)據(jù)為鍵合點脫開，6.5g為金絲拉斷。該批器件的氣密性良好，經(jīng)檢測漏率為10-9Pa；m3/s范圍。4.4國產(chǎn)晶體管長期儲存實例國家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心從1984年起對各種國產(chǎn)高頻小功率晶體管進(jìn)行了許可證確認(rèn)試驗，當(dāng)時每個品種從工廠抽樣150支，用60支分別進(jìn)行高溫儲存、工作壽命和環(huán)境試驗，其余留作仲裁用。全部樣品在I類貯存條件的試驗室保存了20多年，從2006年開始進(jìn)行了長期貯存器件可靠性研究，現(xiàn)報道其中一例。3DG79晶體管為中放AGC專用管，生產(chǎn)時間為1983年，對庫存100多支樣管進(jìn)行了常溫電參數(shù)測試，全部符合規(guī)范要求，對其中5支標(biāo)樣進(jìn)行了對比測試，發(fā)現(xiàn)hFE在貯存20年后平均下降了16%（年下降率0.8%），說明存在hFE退化機理，但未超出壽命試驗失效判據(jù)（30%）。5結(jié)論高可靠半導(dǎo)體器件的貯存壽命極長，對于氣密性良好的金屬或陶瓷封裝器件，如果內(nèi)部水汽含量小于5000