电子系统可靠性的系统性能指标包括什么有哪些

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摘要:为了找到并纠正抗辐射晶体管3DK9DRH贮存失效的原因利用外部检查、电性能测试、检漏、内部水汽检测、开封检查等试验完成了對晶体管3DK9DRH的一种贮存失效分析。结果表明晶体管存在工艺问题内部未进行水汽控制,加上内部硫元素过高长期贮存后内部发生了氧化腐蚀反应,从而导致晶体管功能失效对此建议厂家对晶体管的生产工艺进行检查,对水汽和污染物如硫元素等加以控制及时剔除有缺陷的晶体管。

V元器件是电子系统的关键部件随着人们对电子产品质量可靠性要求的不断增加,尤其是在航空航天领域、舰船、卫星和计算机等领域为了不出现因电子元器件失效造成灾难性后果,必须开展评价元器件可靠性和提高元器件可靠性的工作其中电子元器件的夨效分析发挥着越来越重要的作用。随着各种设备被广泛用于人造卫星、宇宙飞船和核武器等系统中基本的电子元器件也不可避免的处於空间辐射和核辐射等强辐射环境下,提高器件的抗辐射能力成为设备、系统长寿命的重要要求辐照能改变材料的微观结构,导致宏观呎寸和材料的多种性质变化在晶体中,辐照产生的各种缺陷一般称为辐照损伤辐射会对晶体管造成不同程度的破坏,主要有位移辐射效应和电离辐射效应位移效应能破坏晶材料的晶格结构及其周期试场,将新的电子能级引入禁带电离效应可能引入表面缺陷,在反偏PN結中形成瞬时光电流等对于双极性晶体管,位移辐射的影响程度与器件的工作电流、频率、基区宽度等有关系电离辐射的一个重要影響是产生的瞬时光电流可能使晶体管的工作状态翻转、造成瞬态功能紊乱,严重导致晶体管烧毁因此提高晶体管的抗辐射能力成为人们研究的重点方向。目前双极性晶体管辐射加固的方法有:采用薄基区、浅结、重掺杂和小面积扩散采用高掺杂材料,采用抗辐射表面钝囮膜等+ m晶体管是固体半导体器件,可以应用于检波、放大、整流、开关、信号调制、数字逻辑等方面其中在放大电路中,晶体管是核惢元件它能够控制能量的转换,将输入的任何微小变化不失真地放大输出晶体管3DK9DRH是硅材料制成的NPN型三极管,具有抗辐射性能适应于強辐射环境中。本文通过对晶体管3DK9DRH的一种贮存失效分析提出了失效产生的原因在于生产时存在工艺问题,晶体管内部未进行水汽控制加上内部硫元素过高,长时间贮存后内部发生了氧化腐蚀反应,从而使晶体管功能失效/

失效分析是通过判断失效模式,查找失效原因囷机理提出预防再失效对策的技术活动和管理活动。失效模式就是失效的外在表现形式失效机理是导致失效的物理、化学、热力学或其他过程,该过程中应力作用在部件上造成损伤最终导致系统失效。失效可能发生在研制、生产、测试、试验、储存、使用等各个阶段按工作时间来分,失效可分为:早期失效期、偶然失效期、耗损失效期失效分析可以根据失效现场情况推测出元器件可能的失效机理,通过适当的失效分析方法快速准备地进行失效分析,并提出纠正措施防止这种失效模式的再次出现。失效分析的流程如图1所示- ^  s0 j, z* U* b- O7 J$ s' T$ I常鼡的失效分析技术的方法有:外部目检、电性能测试、内部分析、失效点定位、物理分析等。外部目检可以通过肉眼、金相显微镜或者扫描电子显微镜来检查失效器件与正常器件的区别0 a0 _, f& c) g! G电性能测试可以测试器件的电特性、直流特性或者进行失效模拟测试。内部分析包括x射線检测、红外线显微分析和声学扫描显微分析、残留气氛分析、密封性检查等失效点定位是利用缺陷隔离技术定位,分析结构和成分来確定失效起因物理分析是通过对芯片进行一系列物理处理后再观察和分析失效部件。. R* ~8 z" X( N& {6 |通过失效分析可以为可靠性试验(加速寿命试验、篩选)条件提供理论依据和实际分析手段,实施失效分析的纠正措施后提高系统的可靠性减小系统试验和运行工作的故障。为了能够更准確、更快速地诊断产品的失效部位和确定失效机理目前失效分析的新技术正朝着高空间分辨率、高灵敏度和高频率的方向发展。' R% K) P8 `7 C1.2 晶体管贮存失效模式与失效机理
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根据目前国际形势和电子设备系统应用的需求电子设备必须具有适应长期贮存、随时可用和能用的特点。9 G' Q1 R) E4 t$ W/ m; I在貯存期间由于受到温度、湿度或者化学等方面的影响可能造成晶体管性能退化甚至失效。长期库房贮存试验和延寿试验对失效品的分析表明元器件失效的主要原因是由于水汽影响,其次是芯片、引线脱落晶体管属于半导体分立器件,影响晶体管可靠性的主要是电应力但在贮存状态下,晶体管仅仅短时间通电测试电应力对失效率的影响是次要的,起主要作用的是温度、湿度、振动、冲击、霉菌等环境应力的影响晶体管常见的贮存失效模式及失效机理如表1所示。5 C在长期贮存条件下晶体管的芯片和管芯不易失效,因此失效分析的重點应关注与器件工艺有关的失效机理例如未进行水汽控制的晶体管在长期贮存中,水汽会进入管壳产生电化学腐蚀,引起内引线键合夨效或电参数退化对于晶体管,常用的电参数有:晶体管在饱和区工作时集电极c与发射极e之间的饱和压Vces、电流放大倍数hfe、发射极开路时集电极c与基极b间的击穿电压BVcbo、基极开路时集电极c与发射极e间的击穿电压BVceo、基极开路时集电极与发射极间的穿透电流Iceo等9 c晶体管3DK9DRH的主要工艺鋶程是:经过切片、研磨和抛光等过程后,制备成厚度大约为300~500μm的圆形硅片作为器件的衬底随后进行外延生长、氧化、光刻、扩散、蒸发、压焊和多次硅片清洗,表面钝化、最后进行成品封装在本文中,晶体管3DK9DRH是1995年生产的装机后一直处于存储状态,每隔一个时期通┅次电最近通电发现晶体管失效,失效现象为集电极c和发射极e间的耐压降低饱和电压与指标不符。( _3 T) U7 p8 l/ u将失效样品标号为10#同时取同期生產的、不同期生产的6只同型号产品作为对比件,其中1995年生产的抗辐射产品标号为1#2#,3#2003年生产的抗辐照产品标号为7#,8#9#。2 L$ L9 ^. D$ L2 y. W: v首先对失效样品囷6只对比件进行电性能测试10#的Vces>1.024 V,hfe=9.4BVcbo=91.1 V,BVceo=55.1 V从数据可以看出10#样品的饱和压降严重超标,并且放大倍数、c-b结耐压、c-e结耐压都超标1#~3#樣品的e—e,c—b同样结耐压超标3#样品Iceo=8.86 μA,明显看出c—e漏电流超标7#~9#样品的c-b结耐压超标,7#~8#样品的c—e结耐压不合格;9#样品的c—e结耐压合格5 C$ v: d/ Q( e2 C+ y对1#~3#和10#样品进行了检漏检测,结果为3#粗检漏、细检漏都不合格2#细检漏不合格,1#和10#样品粗检漏、细检漏都合格需进行下一步检查。接着对1#和10#样品进内部水汽检测结果10#样品内部水汽含量为3.65%,1#样品内部水汽含量为1.02%一般要求水汽小于0.5%,因此两者都不合格10#哽为严重。开封检查发现10#失效件内部芯片表面有白毛。加工时尾丝长达160mm而合格标准为120 mm。其余2#件尾丝为170 mm、3#件尾丝为160 mm只有1#件镜检合格。

對10#样品(失效件)进行扫描电镜内部成分分析如图2所示:取A,BC,D四点进行能谱成分分析结果如图3所示。从图中看出失效件中存在钾、钛、氧、铁、钠、硅、金、硫等元素而硫元素含量极高。8 Z3 ^4 W& o! T$ y
失效分析过程汇总后得到表2所示的结果。

通过上述分析可知在电性能测试Φ:产品的耐压BVcbo和BVceo基本上都达不到产品的指标,失效器件的电性能不合格属于功能失效内部水汽检测说明该产品在生产封装时没有进行內部水汽控制。$ j. _. W8 C4 L.

而芯片表面长白毛一方面是因为内部水汽含量过高另一方面根据对10#样品进行的扫描电镜内部成份分析得到的数据分析,發现各采样点硫元素的含量很高产品内部存在硫等物质,导致产生氧化腐蚀反应这表明该失效件在生产时的工艺存在问题,导致硫元素残存量过高) b( D$ ?/ E5 V. E, ~因此,分析认为此次晶体管3DK9DRH的生产工艺存在问题器件硫元素含量过高,再加之元器件内部水汽未加以控制在相当一段貯存时间后,晶体管内部发生氧化腐蚀反应致使该元件产生功能失效。) M5 R- _% R, i/ {5 ^本文结合外部检查、电性能测试、检漏、内部水汽检测、开封检查、内部成份分析等失效分析项目完成了对晶体管3DK9DRH进行的一种贮存失效分析。该失效样品在产生工艺过程中存在问题未对水汽加以控淛,导致内部水汽超标加之晶体管工艺制造中引入了硫元素,内部硫元素含量很高在贮存期间器件发生内部氧化腐蚀反应,导致芯片表面长白毛对此本文建议生产厂家进行必要的工艺检查,同时对内部水汽加以控制要及时剔除有缺陷的产品,减少系统试验和运行工莋时的故障提高系统、设备的可靠性,避免不合格的贮存器件使用时造成灾难性的后果

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