半导体器件的贮存寿命

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１ 引言 高可靠半导体器件在降额条件（Tj＝１００℃）下的现场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数分布推算，其平均寿命MTTF大于１０８ｈ，即大于１００００年。据文献报导，电子元器件的贮存失效率比工作失效率还要小 一个数量级

* D$ y! R9 a* m- L" e- d & K4 A3 k. K  j2 B4 P, m１ 引言 . }/ d  r$ P; j4 Y9 ]/ B 6 b9 G5 H9 B3 X. P7 Z# o8 }高可靠半导体器件在降额条件（Tj＝１００℃）下的现场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数分布推算，其平均寿命MTTF大于１０８ｈ，即大于１００００年。据文献报导，电子元器件的贮存失效率比工作失效率还要小 # G' c6 p5 H+ d' X一个数量级，即小于１Ｆｉｔ。 " _7 h" b8 b& V% y5 r- u国内航天用电子元器件有严格的超期复验规定，航天各院都有自己的相应标准，其内容大同小异［１］。半导体器件在Ι类贮存条件下的有效贮存期最早规定为３年，后放宽到４年，最近某重点工程对进口器件又放宽到５年，比较随意。同时规定，每批元器件的超期复验不得超过２次。 ( S& g9 U4 z: w) S5 ] 6 |3 O9 B" R' O美军标规定对贮存超过３６个月的器件在发货前进行Ａ１分组、Ａ２分组以及可焊性检验［２］，并没有有效贮存期的规定。 ( L. z3 V) e+ b0 f9 ~4 ^: ]/ `7 r在俄罗斯军用标准中，半导体器件的最短贮存期一般为２５年，器件的服务期长达３５年，和俄罗斯战略核武器的设计寿命３０年相适应。 ! A1 q- J: F& ]然而，国内对于半导体器件的贮存寿命尤其是有效贮存期有着不同的解释，在认识上存在着误区。国内的超期复验的规定过严，有必要参考美、俄的做法加以修订，以免大量可用的器件被判死刑，影响工程进度，尤其是进口器件，订货周期长，有的到货不久就要复验，在经济上损失极大。 ) T5 T9 g9 z8 e5 x4 L 0 ~) Z9 V2 n& h. h: m# x" V２ 芯片和管芯的寿命预计 高可靠半导体器件通常采用成熟的工艺、保守的设计（余量大）、严格的质量控制、封帽前的镜检和封帽后的多项筛选，有效剔除了早期失效器件。用常规的寿命试验方法无法评估其可靠性水平，一般采用加速寿命试验方法通过阿列尼斯方程外推其MTTF，其芯片和管芯的寿命极长，通常大于１０８ｈ，取决于失效机构激活能和器件的使用结温。 0 T9 E% S1 b/ e 0 y. l* q- V! o& M2 \随着工艺技术的进展，半导体器件的激活能每年大约增长３％。据报道１９７５年的激活能为０?６ｅＶ，１９９５年增长到１?０ｅＶ，其MTTF每隔１５年增长一倍，加速系数每隔５年增长一倍。 1 S( ?1 H# U7 U ! i! }! B# L: K$ e0 ?化合物半导体器件微波性能优越，可靠性高，自８０年代以来，在军事领域得到了广泛的应用。已报道的ＧａＡｓＦＥＴ，ＨＢＴ，ＭＭＩＣ电路的激活能一般都大于１?５ｅＶ，即加速系数非常大。MTTF的报道在１０９～１０１１ｈ，外推至沟道温度１００℃。 , T% f; `( s, Z/ \8 }% e- i# i - x; I; G  h: m+ O加速寿命试验能暴露芯片或管芯的主要失效机理有：金属化条电迁移、氧化层中和氧化物与半导体界面上的可动电荷、电击穿、界面上的金属化与半导体的相互作用以及金属间化合物等。 . a# n5 M* n  L* R5 b) _% [ ３ 超期复验和有效贮存期 / N5 O, @& {0 r; i+ W0 z5 g 由于半导体器件的芯片和管芯的寿命极长，因此超期复验的重点应关注与器件封装有关的失效机理。例如器件的外引线在多年贮存以后，有的会产生锈蚀，影响到可焊性，在装机后易产生虚焊故障和密封性不良的器件。在长期贮存中，水汽会进入管壳，产生电化学腐蚀，使内引线键合失效或电参数退化。不过对于密封性良好的器件，如漏率小于１０-９Ｐａ;ｍ３／ｓ，其腔体内外９０％气体交换时间为２０年，可以忽略外部水汽的影响。 在美军标MIL-M-38510微电路总规范中规定：对制造厂存放超过３６个月的微电路在发货前只要求重新进行Ｂ-３分组的可焊性试验，不要求重新进行Ａ组检验，也没有有效贮存期的限制。俄罗斯对电子元器件的贮存性评估方法已制定了标准［３］，其中有加速贮存和长期贮存两种试验方法，即使采用了加速贮存方法，也要积累多年的数据，也只能部分替代常规贮存试验。因此俄罗斯对其军用电子元器件最短贮存期限分档为１５，２０，２５，３０，３５年是有充分依据的。 - t9 q9 `' P" Q) \ 我国航天部门提出的有效贮存期的依据并不充分，其３～５年的规定比较保守，各部门提出的规定也大同小异，建议对电子元器件制定统一的超期复验标准。有必要吸收俄罗斯的经验，因其标准体系相当严密，基础工作非常扎实，俄罗斯“和平号空间站”设计寿命为５年，而实际服务期限已超过１５年，就是很好的例证。 1 Z$ m9 O0 N$ D" t/ R/ t" y9 A6 T' a４ 半导体器件长期贮存实例 + f; N" O, ?3 Q! E  A ( }  x& b) d7 M. ?9 g４．１ 美国宇航级晶体管 / M: ~1 ~$ I" sJANS2N2219AL为硅ｎｐｎ开关晶体管， ＰＣＭ为８００ｍＷ，采用ＴＯ?３９封装，该批器件的生产日期为１９８０年，数量为４２支。宇航级晶体管为美国军用半导体器件中最高的产品保证等级，它体现了当时半导体器件的最高质量水平。 1 _) @! @# }  O- a, E2 B+ t $ a5 S9 q7 ]  _5 w: @% b我们从１９９８年开始对该批器件进行了一系列的试验和检测，并于１９９９年进行了报道［４］。当时任抽１０支管子进行过６０００ｈ的全功率寿命试验，试验以后电参数变化极小， ｈＦＥ先略微变大，过峰值后又略微变小，相对变化幅度小于２％。当时这批器件已经贮存了１７年，可见长期贮存对它的使用可靠性无影响。 ; m+ J" b4 K" x5 h! @' o/ v( n& T3 Q２００６年又对全部样品进行了电参数复测，ｈＦＥ和１９９８年的参数全部吻合，没有明显的变化，证明了宇航级器件在实验室条件下贮存寿命极长，到目前为止已经贮存２６年没有发现电参数有任何退化，并且外引线镀金层厚度为３μｍ，气密性全部合格，内部水汽含量抽检２支为２１５６和２３４３×１０－６，均小于５０００×１０－６，管壳内９９.７％为氮气，氧含量仅为１００×１０－６。 " l8 M7 m2 u* E 9 N) N( I. q' h. P% K( M ４.２ 特军级晶体管 2 c7 U. U( o1 f! @6 \2 M ; _9 r6 b! g- E0 CＪＴＸ２Ｎ２４０５为硅ｎｐｎ开关晶体管， ＰＣＭ为１Ｗ，ＴＯ-３９封装，生产日期为１９７４年，已经贮存了３２年。特军级晶体管的质量等级高于普军级（JAN），该批器件数量较大，共２０６支，管芯的图形较大，ＩＣＭ为１Ａ，内引线用金丝，在管芯处为球焊键合，为７０年代的典型键合工艺。在贮存期间，对电参数进行过多次检测，全部符合规范要求，仅有１支管子，小电流ｈＦＥ （１ｍＡ处）有退化迹象。管子的外引线镀金层质量良好，没有锈蚀现象，任抽１０支样管做可焊性试验，全部合格，气密性经检测漏率小于１０?９Ｐａｍ３／ｓ。 ４.３ 早期的宇航级晶体管 7 T5 J  Q% F- `# R. M7 }5 W$ d JANＳ２Ｎ２２２２Ａ为硅小功率开关晶体管，ＴＯ-１８封装，相当于国产管３ＤＫ３，该批产品共５支，生产日期为１９７１年，已经贮存了３５年，是美国ＴＩ公司早期生产的宇航级晶体管。经电参数检测，全部符合规范要求，ｈＦＥ在微电流下也没有退化。 . R5 A' j* w, G1 ]% ] , n. ^  P  Z( o该管内引线采用当时典型的金丝球焊工艺，经过DPA检测，内引线键合拉力为２.９～６.５ｇ，芯片剪切力为１.９８ｋｇ。由于金丝和铝膜的键合在高温下会产生多种金铝化合物，严重时会产生开路失效，因此ＴＩ公司在８０年代生产的宇航级晶体管２Ｎ２２１９中内引线使用铝丝超声键合工艺，消除了金铝化合物的失效模式。从DPA的数据来看，金丝球焊的键合拉力在贮存３５年后，确有退化，２.９ｇ数据为键合点脱开，６.５ｇ为金丝拉断。该批器件的气密性良好，经检测漏率为１０-９Ｐａ;ｍ３／ｓ范围。 7 \- W4 S5 P5 u2 P) v5 o４.４ 国产晶体管长期储存实例 ) O2 m) {3 s2 }& S ; `) ?/ k0 B6 l7 f! ^国家半导体器件质量监督检验中心从１９８４年起对各种国产高频小功率晶体管进行了许可证确认试验，当时每个品种从工厂抽样１５０支，用６０支分别进行高温储存、工作寿命和环境试验，其余留作仲裁用。全部样品在Ⅰ类贮存条件的试验室保存了２０多年，从２００６年开始进行了长期贮存器件可靠性研究，现报道其中一例。 ! s# V, q& x7 @8 K7 i. b/ |% |   r0 m& k. w0 T' A% j３ＤＧ７９晶体管为中放ＡＧＣ专用管，生产时间为１９８３年，对库存１００多支样管进行了常温电参数测试，全部符合规范要求，对其中５支标样进行了对比测试，发现ｈＦＥ在贮存２０年后平均下降了１６％ （年下降率０.８％），说明存在ｈＦＥ退化机理，但未超出寿命试验失效判据（３０％）。 ; d; Z0 }; ~; E1 d% A5 |) \0 X1 x " y8 ?1 @' F" M# \５ 结论 + ?* u/ T) L6 d1 x+ i 高可靠半导体器件的贮存寿命极长，对于气密性良好的金属或陶瓷封装器件，如果内部水汽含量小于５０００×１０-６，外引线镀层质量良好，在Ⅰ类条件的贮存期限可达到２５年，甚至更长。 % r8 }/ J: o- K: z 我国航天部门制订的超期复验标准中对于有效贮存期订的过严，建议参考俄罗斯标准作必要的修订，作为过渡方案，可以将半导体器件的有效贮存期先放宽到５年，这在某重点工程中已证明是可行的。 ) F, g( r2 F% d+ @# s ( Z2 k3 I9 o3 T- c  p' @  U国内有关部门应加强电子元器件贮存可靠性及评估技术研究，制定相应统一的标准规范。

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