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(cè)試、檢漏、內(nèi)部水汽檢測(cè)、開(kāi)封檢查等試驗(yàn)完成了對(duì)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(wèn)題，內(nèi)部未進(jìn)行水汽控制，加上內(nèi)部硫元素過(guò)高，長(zhǎng)期貯存后內(nèi)部發(fā)生了氧化腐蝕反應(yīng)，從而導(dǎo)致晶體管功能失效。對(duì)此建議廠家對(duì)晶體管的生產(chǎn)工藝進(jìn)行檢查，對(duì)水汽和污染物如硫元素等加以控制，及時(shí)剔除有缺陷的晶體管。
關(guān)鍵詞：失效分析；失效機(jī)理；晶體管；輻照加固

0 引言
    元器件是電子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。隨著人們對(duì)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(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，為了不出現(xiàn)因電子元器件失效造成災(zāi)難性后果，必須開(kāi)展評(píng)價(jià)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(lái)越重要的作用。隨著各種設(shè)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(qiáng)輻射環(huán)境下，提高器件的抗輻射能力成為設(shè)備、系統(tǒng)長(zhǎng)壽命的重要要求。輻照能改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)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(huì)對(duì)晶體管造成不同程度的破壞，主要有位移輻射效應(yīng)和電離輻射效應(yīng)。位移效應(yīng)能破壞晶材料的晶格結(jié)構(gòu)及其周期試場(chǎng)，將新的電子能級(jí)引入禁帶。電離效應(yīng)可能引入表面缺陷，在反偏PN結(jié)中形成瞬時(shí)光電流等。對(duì)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(gè)重要影響是產(chǎn)生的瞬時(shí)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(yán)重導(dǎo)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(diǎn)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?fù)诫s和小面積擴(kuò)散，采用高摻雜材料，采用抗輻射表面鈍化膜等。
    晶體管是固體半導(dǎo)體器件，可以應(yīng)用于檢波、放大、整流、開(kāi)關(guān)、信號(hào)調(diào)制、數(shù)字邏輯等方面。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(yīng)于強(qiáng)輻射環(huán)境中。本文通過(guò)對(duì)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(shí)存在工藝問(wèn)題，晶體管內(nèi)部未進(jìn)行水汽控制，加上內(nèi)部硫元素過(guò)高，長(zhǎng)時(shí)間貯存后，內(nèi)部發(fā)生了氧化腐蝕反應(yīng)，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
    失效分析是通過(guò)判斷失效模式，查找失效原因和機(jī)理，提出預(yù)防再失效對(duì)策的技術(shù)活動(dòng)和管理活動(dòng)。失效模式就是失效的外在表現(xiàn)形式，失效機(jī)理是導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)、熱力學(xué)或其他過(guò)程，該過(guò)程中應(yīng)力作用在部件上造成損傷，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失效。失效可能發(fā)生在研制、生產(chǎn)、測(cè)試、試驗(yàn)、儲(chǔ)存、使用等各個(gè)階段。按工作時(shí)間來(lái)分，失效可分為：早期失效期、偶然失效期、耗損失效期。失效分析可以根據(jù)失效現(xiàn)場(chǎng)情況推測(cè)出元器件可能的失效機(jī)理，通過(guò)適當(dāng)?shù)氖Х治龇椒?，快速?zhǔn)備地進(jìn)行失效分析，并提出糾正措施，防止這種失效模式的再次出現(xiàn)。失效分析的流程如圖1所示。

    常用的失效分析技術(shù)的方法有：外部目檢、電性能測(cè)試、內(nèi)部分析、失效點(diǎn)定位、物理分析等。外部目檢可以通過(guò)肉眼、金相顯微鏡或者掃描電子顯微鏡來(lái)檢查失效器件與正常器件的區(qū)別。
    電性能測(cè)試可以測(cè)試器件的電特性、直流特性或者進(jìn)行失效模擬測(cè)試。內(nèi)部分析包括x射線檢測(cè)、紅外線顯微分析和聲學(xué)掃描顯微分析、殘留氣氛分析、密封性檢查等。失效點(diǎn)定位是利用缺陷隔離技術(shù)定位，分析結(jié)構(gòu)和成分來(lái)確定失效起因。物理分析是通過(guò)對(duì)芯片進(jìn)行一系列物理處理后再觀察和分析失效部件。
    通過(guò)失效分析，可以為可靠性試驗(yàn)(加速壽命試驗(yàn)、篩選)條件提供理論依據(jù)和實(shí)際分析手段，實(shí)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(yàn)和運(yùn)行工作的故障。為了能夠更準(zhǔn)確、更快速地診斷產(chǎn)品的失效部位和確定失效機(jī)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。
1．2 晶體管貯存失效模式與失效機(jī)理
    根據(jù)目前國(guó)際形勢(shì)和電子設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用的需求，電子設(shè)備必須具有適應(yīng)長(zhǎng)期貯存、隨時(shí)可用和能用的特點(diǎn)。
    在貯存期間由于受到溫度、濕度或者化學(xué)等方面的影響，可能造成晶體管性能退化甚至失效。長(zhǎng)期庫(kù)房貯存試驗(yàn)和延壽試驗(yàn)對(duì)失效品的分析表明，元器件失效的主要原因是由于水汽影響，其次是芯片、引線脫落。晶體管屬于半導(dǎo)體分立器件，影響晶體管可靠性的主要是電應(yīng)力，但在貯存狀態(tài)下，晶體管僅僅短時(shí)間通電測(cè)試，電應(yīng)力對(duì)失效率的影響是次要的，起主要作用的是溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、霉菌等環(huán)境應(yīng)力的影響。晶體管常見(jiàn)的貯存失效模式及失效機(jī)理如表1所示。

    在長(zhǎng)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(diǎn)應(yīng)關(guān)注與器件工藝有關(guān)的失效機(jī)理。例如未進(jìn)行水汽控制的晶體管在長(zhǎng)期貯存中，水汽會(huì)進(jìn)入管殼，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，引起內(nèi)引線鍵合失效或電參數(shù)退化。對(duì)于晶體管，常用的電參數(shù)有：晶體管在飽和區(qū)工作時(shí)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(kāi)路時(shí)集電極c與基極b間的擊穿電壓BVcbo、基極開(kāi)路時(shí)集電極c與發(fā)射極e間的擊穿電壓BVceo、基極開(kāi)路時(shí)集電極與發(fā)射極間的穿透電流Iceo等。

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(guò)切片、研磨和拋光等過(guò)程后，制備成厚度大約為300～500μm的圓形硅片作為器件的襯底，隨后進(jìn)行外延生長(zhǎng)、氧化、光刻、擴(kuò)散、蒸發(fā)、壓焊和多次硅片清洗，表面鈍化、最后進(jìn)行成品封裝。在本文中，晶體管3DK9DRH是1995年生產(chǎn)的，裝機(jī)后一直處于存儲(chǔ)狀態(tài)，每隔一個(gè)時(shí)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(biāo)不符。
    將失效樣品標(biāo)號(hào)為10#，同時(shí)取同期生產(chǎn)的、不同期生產(chǎn)的6只同型號(hào)產(chǎn)品作為對(duì)比件，其中1995年生產(chǎn)的抗輻射產(chǎn)品標(biāo)號(hào)為1#，2#，3#，2003年生產(chǎn)的抗輻照產(chǎn)品標(biāo)號(hào)為7#，8#，9#。
    首先對(duì)失效樣品和6只對(duì)比件進(jìn)行電性能測(cè)試。10#的Vces>1．024 V，hfe=9．4，BVcbo=91．1 V，BVceo=55．1 V，從數(shù)據(jù)可以看出10#樣品的飽和壓降嚴(yán)重超標(biāo)，并且放大倍數(shù)、c-b結(jié)耐壓、c-e結(jié)耐壓都超標(biāo)。1#～3#樣品的e—e，c—b同樣結(jié)耐壓超標(biāo)，3#樣品Iceo=8．86 μA，明顯看出c—e漏電流超標(biāo)。7#～9#樣品的c-b結(jié)耐壓超標(biāo)，7#～8#樣品的c—e結(jié)耐壓不合格；9#樣品的c—e結(jié)耐壓合格。
    對(duì)1#～3#和10#樣品進(jìn)行了檢漏檢測(cè)，結(jié)果為3#粗檢漏、細(xì)檢漏都不合格，2#細(xì)檢漏不合格，1#和10#樣品粗檢漏、細(xì)檢漏都合格，需進(jìn)行下一步檢查。接著對(duì)1#和10#樣品進(jìn)內(nèi)部水汽檢測(cè)，結(jié)果10#樣品內(nèi)部水汽含量為3．65％，1#樣品內(nèi)部水汽含量為1．02％，一般要求水汽小于0．5％，因此兩者都不合格，10#更為嚴(yán)重。開(kāi)封檢查發(fā)現(xiàn)，10#失效件內(nèi)部芯片表面有白毛。加工時(shí)尾絲長(zhǎng)達(dá)160mm，而合格標(biāo)準(zhǔn)為120 mm。其余2#件尾絲為170 mm、3#件尾絲為160 mm，只有1#件鏡檢合格。

    對(duì)10#樣品(失效件)進(jìn)行掃描電鏡內(nèi)部成分分析，如圖2所示：取A，B，C，D四點(diǎn)進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中看出失效件中存在鉀、鈦、氧、鐵、鈉、硅、金、硫等元素，而硫元素含量極高。
    將失效分析過(guò)程匯總后，得到表2所示的結(jié)果。

    通過(guò)上述分析可知，在電性能測(cè)試中：產(chǎn)品的耐壓BVcbo和BVceo基本上都達(dá)不到產(chǎn)品的指標(biāo)，失效器件的電性能不合格屬于功能失效。內(nèi)部水汽檢測(cè)說(shuō)明該產(chǎn)品在生產(chǎn)封裝時(shí)沒(méi)有進(jìn)行內(nèi)部水汽控制。
     而芯片表面長(zhǎng)白毛一方面是因?yàn)閮?nèi)部水汽含量過(guò)高，另一方面根據(jù)對(duì)10#樣品進(jìn)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(diǎn)硫元素的含量很高，產(chǎn)品內(nèi)部存在硫等物質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)生氧化腐蝕反應(yīng)。這表明該失效件在生產(chǎn)時(shí)的工藝存在問(wèn)題，導(dǎo)致硫元素殘存量過(guò)高。
    因此，分析認(rèn)為此次晶體管3DK9DRH的生產(chǎn)工藝存在問(wèn)題，器件硫元素含量過(guò)高，再加之元器件內(nèi)部水汽未加以控制，在相當(dāng)一段貯存時(shí)間后，晶體管內(nèi)部發(fā)生氧化腐蝕反應(yīng)，致使該元件產(chǎn)生功能失效。
    建議以后如果再發(fā)現(xiàn)同批次生產(chǎn)的3DK9DRH晶體也存在類似情況，有可能是生產(chǎn)工藝時(shí)存在問(wèn)題，生產(chǎn)廠家有必要進(jìn)行工藝檢查。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文結(jié)合外部檢查、電性能測(cè)試、檢漏、內(nèi)部水汽檢測(cè)、開(kāi)封檢查、內(nèi)部成份分析等失效分析項(xiàng)目，完成了對(duì)晶體管3DK9DRH進(jìn)行的一種貯存失效分析。該失效樣品在產(chǎn)生工藝過(guò)程中存在問(wèn)題，未對(duì)水汽加以控制，導(dǎo)致內(nèi)部水汽超標(biāo)，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(yīng)，導(dǎo)致芯片表面長(zhǎng)白毛。對(duì)此本文建議生產(chǎn)廠家進(jìn)行必要的工藝檢查，同時(shí)對(duì)內(nèi)部水汽加以控制，要及時(shí)剔除有缺陷的產(chǎn)品，減少系統(tǒng)試驗(yàn)和運(yùn)行工作時(shí)的故障，提高系統(tǒng)、設(shè)備的可靠性，避免不合格的貯存器件使用時(shí)造成災(zāi)難性的后果。