半导体器件的贮存寿命

半导体器件的贮存寿命时间：2008-09-0308:34来源:可靠性论坛作者:张瑞霞，徐立生，高兆丰点击：1291次1引言高可靠半导体器件在降额条件（Tj=100°C）下的现场使用失效率可以小于1O-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1引言高可靠半导体器件在降额条件（Tj=100C）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，即小于1Fit。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I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。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。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。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。2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。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06eV，1995年增长到10eV，其MTTF每隔15年增长一倍，加速系数每隔5年增长一倍。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15eV即加速系数非常大。MTTF的报道在109〜1011h，外推至沟道温度100°C。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。3超期复验和有效贮存期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。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。4半导体器件长期贮存实例4.1美国宇航级晶体管JANS2N2219AL为硅npn开关晶体管，PCM为800mW，采用TO39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。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。2006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3^m，气密性全部合格，内部水汽含量抽检2支为2156和2343X10—6，均小于5000X10—6，管壳内99.7%为氮气，氧含量仅为100X10—6。4.2特军级晶体管JTX2N2405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109Pam3/so4.3早期的宇航级晶体管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。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。4.4国产晶体管长期储存实例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。3DG79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%）。5结论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