半導(dǎo)體分立器件壽命試驗(yàn)方法詳解

耿寧寧　潘英飛

摘 要 半導(dǎo)體分立器件壽命試驗(yàn)是檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量的重要方法，要嚴(yán)格按照相關(guān)要求，正確操作試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)程序，嚴(yán)格執(zhí)行試驗(yàn)過(guò)程的中間測(cè)試和終點(diǎn)測(cè)試，試驗(yàn)后及時(shí)分析試驗(yàn)結(jié)果，從而保證生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞 壽命試驗(yàn)；試驗(yàn)程序；試驗(yàn)條件

中圖分類號(hào)：TN303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）16-0076-01

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是電子技術(shù)的更新?lián)Q代，對(duì)電子設(shè)備所用的元器件的質(zhì)量要求越來(lái)越高，本試驗(yàn)的目的是確定：壽命分析、壽命加速特性和失效率水平。確定失效率通常是為了對(duì)器件或制造這些器件的生產(chǎn)線進(jìn)行常規(guī)的鑒定或是為了預(yù)測(cè)使用這些器件的設(shè)備的故障率。

1 設(shè)備

應(yīng)提供適當(dāng)?shù)牟遄推渌惭b手段，使得在規(guī)定電路結(jié)構(gòu)中被試器件引出端有可靠的電連接。安裝的方式通常應(yīng)設(shè)計(jì)成器件內(nèi)部的耗熱不會(huì)通過(guò)其他傳導(dǎo)方式消散，只能在規(guī)定的環(huán)境溫度或在該溫度之上通過(guò)器件引出端和必要的電連接散熱。設(shè)備應(yīng)能在被試器件引出端上提供規(guī)定的偏置，并且若有規(guī)定時(shí)，還應(yīng)檢測(cè)輸入激勵(lì)。只要其電源電壓、環(huán)境溫度等條件的變化在常規(guī)范圍內(nèi)，電源電壓和電流的調(diào)節(jié)電阻器應(yīng)至少能在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，均能保持規(guī)定的工作條件。試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)安排成使器件只出現(xiàn)自然對(duì)流冷卻。試驗(yàn)條件導(dǎo)致明顯的功率耗散時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)設(shè)置成使每個(gè)器件產(chǎn)生近似平均的功率耗散，而不管是單獨(dú)試驗(yàn)還是成組試驗(yàn)。試驗(yàn)電路不必補(bǔ)償單個(gè)器件特性的正常變化，但是應(yīng)設(shè)置的使一組中的某個(gè)器件失效和出現(xiàn)異常時(shí)（即開(kāi)路、短路等）不致對(duì)該組中其他器件的試驗(yàn)效果產(chǎn)生不良影響。

2 程序

微電子器件應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和試驗(yàn)溫度下按規(guī)定的試驗(yàn)條件并應(yīng)在規(guī)定的中間和終點(diǎn)進(jìn)行必要的測(cè)量。帶有外引線、螺母或外殼的器件應(yīng)按它們的正常安裝方式采用外引線、螺母和外殼安裝，并且保持連接點(diǎn)的溫度不低于規(guī)定溫度。試驗(yàn)前選擇的試驗(yàn)條件、時(shí)間、樣本大小和溫度應(yīng)記錄下來(lái)，并在整個(gè)試驗(yàn)中都應(yīng)遵照?qǐng)?zhí)行。

1）試驗(yàn)時(shí)間。壽命試驗(yàn)時(shí)間如下。

初始鑒定：4000小時(shí)失效時(shí)或出現(xiàn)75%失效時(shí)，取第一個(gè)出現(xiàn)的值，所有其他試驗(yàn)：1000小時(shí)或出現(xiàn)50%失效，取第一個(gè)出現(xiàn)的值。

在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間結(jié)束前24小時(shí)到試驗(yàn)結(jié)束后72小時(shí)的時(shí)間間隔內(nèi)，器件應(yīng)去掉規(guī)定的試驗(yàn)條件并允許在去掉偏置前達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件。

2）測(cè)量。測(cè)量應(yīng)分為以下幾類。

A類—初始和最終測(cè)量；

B類—中間測(cè)量。

除另有規(guī)定，全部測(cè)量應(yīng)在器件移出規(guī)定試驗(yàn)條件后的8小時(shí)內(nèi)完成，測(cè)量?jī)?nèi)容包括：

A類—全部規(guī)定的終點(diǎn)；

B類—選擇的臨界參數(shù)。

A類在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)和最終測(cè)量時(shí)進(jìn)行。B類中間測(cè)量對(duì)1000小時(shí)試驗(yàn)應(yīng)在第4小時(shí)、8小時(shí)、16小時(shí)、32小時(shí)、64小時(shí)、128小時(shí)、256小時(shí)、512小時(shí)進(jìn)行，對(duì)4000小時(shí)試驗(yàn)時(shí)還應(yīng)在第1000小時(shí)和第2000小時(shí)進(jìn)行。

3）壽命試驗(yàn)后的測(cè)量。在進(jìn)行了壽命試驗(yàn)后，測(cè)量器件時(shí)，器件應(yīng)在去掉偏置前冷卻到室溫。重新加熱器件之前應(yīng)完成全部規(guī)定的25℃電測(cè)試。

4）試驗(yàn)抽樣。試驗(yàn)抽樣應(yīng)按規(guī)定，在給定的試驗(yàn)溫度內(nèi)所用器件應(yīng)不得少于40個(gè)。

5）試驗(yàn)條件。微電路在超過(guò)最高額定工作溫度（200℃～300℃）下加以偏置的試驗(yàn)條件下，一般不能按適用的訂購(gòu)文件中的規(guī)定正常工作，因此必須特別注意選擇偏置電路和條件，從而保證電路重要部分加上足夠的偏置，而對(duì)電路其他部位不產(chǎn)生過(guò)應(yīng)力損壞。

6）試驗(yàn)溫度。除另有規(guī)定外，應(yīng)在200℃～300℃的范圍內(nèi)選擇試驗(yàn)溫度。規(guī)定的溫度是指所有器件在試驗(yàn)箱中工作區(qū)內(nèi)所經(jīng)受的最低實(shí)際環(huán)境溫度。必須通過(guò)對(duì)一些因素的調(diào)節(jié)來(lái)保證，如試驗(yàn)箱內(nèi)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷、控制或監(jiān)視儀器的位置和空氣或其他氣體在試驗(yàn)箱內(nèi)的流動(dòng)。因此對(duì)試驗(yàn)箱的校準(zhǔn)應(yīng)在滿負(fù)荷、不加電源狀態(tài)下進(jìn)行，而且指示傳感器應(yīng)位于工作區(qū)域的最冷點(diǎn)或調(diào)正到能指示最冷點(diǎn)溫度。初始失效率測(cè)定試驗(yàn)應(yīng)選擇三個(gè)溫度。且兩個(gè)鄰近的試驗(yàn)溫度之間保持至少25℃的溫度間隔。所有其他周期壽命試驗(yàn)應(yīng)在間隔至少50℃的兩個(gè)溫度下進(jìn)行。

7）偏置電路的選擇。為了適當(dāng)選擇加速試驗(yàn)條件，建議在器件各引出端測(cè)量電壓和電流時(shí)，應(yīng)使適量的器件樣品暴露在預(yù)訂的高溫下，從而保證施加的電應(yīng)力不致引起器件的損壞。所以在進(jìn)行微電路的壽命試驗(yàn)前，試驗(yàn)電路、熱阻和步進(jìn)應(yīng)力等的測(cè)定應(yīng)在通常為200℃～300℃的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。在步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)選步長(zhǎng)為25℃至少維持24小時(shí)，每次步進(jìn)后都要進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾姕y(cè)試。最佳試驗(yàn)條件是在高溫應(yīng)力下對(duì)最易失效的器件結(jié)或部位施加最大電壓，但把器件電流控制在較低值上。器件中過(guò)量電流可以導(dǎo)致過(guò)熱并且可能使器件損壞，應(yīng)采用限流電阻器。在任一端或全部端上施加的電壓應(yīng)等于125℃下的最大額定電壓。如有必要，只有得到鑒定機(jī)構(gòu)的特殊批準(zhǔn)，并且能證明過(guò)量電流或功率耗散是由規(guī)定電壓下的工作引起的，才可以把任一端或全部的端上的外加電壓下降到不低于規(guī)定值的50%。

3 壽命試驗(yàn)基本準(zhǔn)則

下述的規(guī)則有助于為有效的微電路加速壽命或篩選試驗(yàn)選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)條件。

1）對(duì)在步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)的微電路中最易失效的部位或結(jié)上施加最大額定電壓。

2）對(duì)盡量多的結(jié)上施加電偏置。

3）在每個(gè)MOS或CMOS器件中，對(duì)不同的棚氧化物施加偏壓，以至同時(shí)需要施加正、負(fù)電壓。

4）應(yīng)控制器件電流以避免過(guò)熱和過(guò)量電遷移引起的失效。

5）采用與各器件串聯(lián)的限流電阻器以保證在試驗(yàn)時(shí)對(duì)全部非失效器件施加電應(yīng)力。

6）應(yīng)適當(dāng)選擇各個(gè)限流電阻器的阻值，該阻值應(yīng)足夠大，以防止萬(wàn)一失效時(shí)大量器件被損壞；而該阻值又應(yīng)足夠小，可以把電流波動(dòng)引起的施加的電壓變化減到最小。

7）避免超過(guò)設(shè)計(jì)或材料限制的條件出現(xiàn)。

8）避免不適當(dāng)?shù)募铀?，出現(xiàn)非典型現(xiàn)場(chǎng)情況下失效機(jī)理的條件。

9）采用過(guò)電壓保護(hù)電路。

確定試驗(yàn)條件是否符合上述基本規(guī)則應(yīng)包括三個(gè)基本

步驟：

步驟一：在加速試驗(yàn)溫度下比較、評(píng)價(jià)供選用的偏置電路；

步驟二：確定器件熱特性；

步驟三：步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了把失效分為與溫度有關(guān)和與溫度無(wú)關(guān)的兩類，就必須對(duì)加速試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行失效分析。與溫度無(wú)關(guān)的失效應(yīng)在壽命分布分析前將其從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中剔除，應(yīng)報(bào)告全部的失效分析的結(jié)果，并闡明被剔除的與溫度無(wú)關(guān)的失效的合理性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了半導(dǎo)體分立器件壽命試驗(yàn)方法的步驟、設(shè)備要求、試驗(yàn)中的測(cè)量和結(jié)果分析，希望能對(duì)生產(chǎn)廠家提供有效的幫助，更好的控制產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]GJB 548B-2005微電子器件試驗(yàn)方法和程序.

作者簡(jiǎn)介

耿寧寧，工程師，從事半導(dǎo)體分立器件例行試驗(yàn)15年。

潘英飛，工程師，從事半導(dǎo)體分立器件制造10年。endprint