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，從而導致晶體管功能失效。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

中圖分類號： TN321?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）06?0109?04

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[1]。隨著各種設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和電離輻射效應。位移效應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，嚴重導致晶體管燒毀。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[2]。

晶體管是固體半導體器件，可以應用于檢波、放大、整流、開關(guān)、信號調(diào)制、數(shù)字邏輯[3]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，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

常用的失效分析技術(shù)的方法有[5]：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[6]。

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備系統(tǒng)應用的需求，電子設備必須具有適應長期貯存、隨時可用和能用的特點[7]。

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關(guān)注與器件工藝有關(guān)的失效機理[9]。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[10]。

2 晶體管3DK9DRH的失效分析

晶體管3DK9DRH的主要工藝流程是：經(jīng)過切片、研磨和拋光等過程后，制備成厚度大約為300～500 μm的圓形硅片作為器件的襯底，隨后進行外延生長、氧化、光刻、擴散、蒸發(fā)、壓焊和多次硅片清洗，表面鈍化、最后進行成品封裝。在本文中，晶體管3DK9DRH是1995年生產(chǎn)的，裝機后一直處于存儲狀態(tài)，每隔一個時期通一次電，最近通電發(fā)現(xiàn)晶體管失效，失效現(xiàn)象為集電極c和發(fā)射極e間的耐壓降低，飽和電壓與指標不符。

通過上述分析可知，在電性能測試中：產(chǎn)品的耐壓BVcbo和BVceo基本上都達不到產(chǎn)品的指標，失效器件的電性能不合格屬于功能失效。內(nèi)部水汽檢測說明該產(chǎn)品在生產(chǎn)封裝時沒有進行內(nèi)部水汽控制。

而芯片表面長白毛一方面是因為內(nèi)部水汽含量過高，另一方面根據(jù)對10#樣品進行的掃描電鏡內(nèi)部成份分析得到的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)各采樣點硫元素的含量很高，產(chǎn)品內(nèi)部存在硫等物質(zhì)，導致產(chǎn)生氧化腐蝕反應。這表明該失效件在生產(chǎn)時的工藝存在問題，導致硫元素殘存量過高。

因此，分析認為此次晶體管3DK9DRH的生產(chǎn)工藝存在問題，器件硫元素含量過高，再加之元器件內(nèi)部水汽未加以控制，在相當一段貯存時間后，晶體管內(nèi)部發(fā)生氧化腐蝕反應，致使該元件產(chǎn)生功能失效。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合外部檢查、電性能測試、檢漏、內(nèi)部水汽檢測、開封檢查、內(nèi)部成份分析等失效分析項目，完成了對晶體管3DK9DRH進行的一種貯存失效分析。該失效樣品在產(chǎn)生工藝過程中存在問題，未對水汽加以控制，導致內(nèi)部水汽超標，加之晶體管工藝制造中引入了硫元素，內(nèi)部硫元素含量很高，在貯存期間器件發(fā)生內(nèi)部氧化腐蝕反應，導致芯片表面長白毛。對此本文建議生產(chǎn)廠家進行必要的工藝檢查，同時對內(nèi)部水汽加以控制，要及時剔除有缺陷的產(chǎn)品，減少系統(tǒng)試驗和運行工作時的故障，提高系統(tǒng)、設備的可靠性，避免不合格的貯存器件使用時造成災難性的后果。

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