Diszkrét félvezető eszközök szűrővizsgálatai CSORNAI L Á S Z L Ó - B A R N A Mikroelektronikai Vállalat
G Y U L Á N É — V Á R A D I ISTVÁN
CSORNAI
ÖSSZEFOGLALÁS Műanyag tokos szilícium planár tranzisztorok egymástól jelentősen eltérő típusainál vizsgálták a kezdeti jellemzők alapján végzett szelekció módszerével és burn-in módszerrel végzett szűrővizsgálat eredményességét. A kezdeti jellemzők alapján végzett szűrés ered ménytelen volt. A burn-in módszerrel a megbízhatóság kb. kétsze resre nőtt.
1. Bevezetés A diszkrét félvezető eszközöknek nagy megbízha tóságú berendezésekben t ö r t é n ő alkalmazása szük ségessé teszi, hogy előre megadott minőségi követel m é n y e k n e k megfelelő, minősített eszközöket építsenek be a tervezők berendezéseikbe. A megbízhatósági és minőségbiztosítási tevékenység így az eszközöket g y á r t ó vállalatok egyik fontos feladatának tekin t e n d ő . A minősítő vizsgálatoknak egyik jelentős t e r ü l e t é t képezik a legfontosabb meghibásodási mechanizmusokat feltáró, a rejtett hibás eszközöket k i m u t a t ó szűrővizsgálatok. A jelen közlemény a nemzetközi minősítési fokozat általános követelmé-> nyeiből kiindulva ismerteti a leglényegesebb vizsgálati és értékelési eljárásokat, majd r á t é r a diszkrét fél vezető eszközök esetében alkalmazott szűrővizsgá latokra. A leggyakrabban alkalmazott szűrővizsgálati eljárások eredményességéről ad értékelő elemzést t ö b b szilícium planár tranzisztor típuson elvégzett vizsgálatok adatai alapján.
Rádiómérnök oklevelét az Állami Műszaki Fő iskolán 1951-ben szerez te. 1948 és 1983 között a Tungsram Rt. alkal mazottja volt, szakmai területe is ott alakult ki: különféle elektroncsövek és félvezetőeszközök mé réstechnikája. Huzamo sabb idő óta minőségel
l.
táblázat
2. táblázat Az „ A " csoport vizsgálatai (USA)
1. K e z d e t i m i n ő s í t é s 2. Szűrés 3.
Minőség-megfelelőség ellenőrzése „ A " csoport ( t é t e l e n k é n t ) „ B " csoport ( t é t e l e n k é n t ) „ G " csoport (6 h a v o n k é n t )
Beérkezett: 1984. X I I . 5. ( A )
154
Minőségi kategória I.
II.
III.
IV.
X
X
X
X
X
X X X
X
X X X
X
X X X
— X X X
LTPD értéke az egyes minőségi kategóriában
Vizsgálat
Alcsoport
I. 1. alcsoport
S z e m r e v é t e l e z é s és mechanikai vizs gálat
2. alcsoport
Sztatikus para m é t e r e k mérése 25 °G-on
3. alcsoport
Diszkrét félvezető eszközök minősítése (USA) Minősítési szakasz
lenőrzési területen dol gozik, 1983 óta a Mikro elektronikai Vállalatnál. Oktatási területen is te vékenykedik. Több elekt roncső és félvezető té májú szakcikket, jegyze tet írt. Tagja a Rádió technika szerkesztő bi zottságának és a Hír adástechnikai Tudomá nyos Egyesületnek.
az I — I V római számokkal fogunk jelölni. A minő sítési eljárás egyes lépéseit az 1. t á b l á z a t b a n foglal j u k össze. A m i n t az a t á b l á z a t b ó l l á t h a t ó , a legala csonyabb ( I V . ) minőségi kategória kivételével, min dig része a minősítési eljárásnak a szűrővizsgálat. A minőség-megfelelőség ellenőrzésére szolgáló vizs-
2. Minősítési rendszerek Az USA-ban alkalmazott — diszkrét félvezető esz közökre vonatkozó — minősítési rendszer négyféle minőségi szintet definiál, amelyeket a t o v á b b i a k b a n
LÁSZLÓ
Sztatikus para m é t e r e k mérése a legmagasabb és a legalacso nyabb h ő m é r sékleten Dinamikus para m é t e r e k mérése 25 °G-on
5, alcsoport
K i v á l a s z t o t t szta tikus p a r a m é t e r e k mérése
6. alcsoport
Lökőáram-mérés ( d i ó d á k é s egyen irányítók eseté ben)
7. alcsoport
Kiválasztott dinamikus para m é t e r e k mérése
XXXVI.
c= 0 n = 15
5
3
5
(A 2—4. alcsopor tokra együttesen vonatkozik)
4. alcsoport
Híradástechnika
II—III—IV.
5
5
10
10
(Az 5—7. alcsopor tokra együttesen vonatkozik)
. io
10
évfolyam
1985. 4. szám
g á l á t o k a t (csoportonként) a 2—4. t á b l á z a t o k b a n so roljuk fel. Megadjuk a k ö v e t e l m é n y k é n t előírt viszszautasítási hibaszintet ( L T P D érték) vagy a minta nagyságot (n) és az átvételi h i b a s z á m o t (c). A z A és B csoport vizsgálatait tételenként, a C csoport vizs g á l a t a i t félévenként végzik el. A z 5. t á b l á z a t b a n az egyes minőségi kategóriákhoz t a r t o z ó szűrővizsgá latokat soroljuk fel. Valamennyi szűrővizsgálatot el kell végezni az I . minőségi kategóriába sorolt alkatrészekre, amint az a táblázatból k i t ű n i k . A I I . és a I I I . minőségi kategória esetén egyes kevésbé fontos vizsgálatok elmaradnak, de a hőhatáson alapuló vizsgálatok (hőkezelés magas hőmérsékleten, hősokk [hőciklus] stb.) egyik szűrő vizsgálati sorozatból sem hiányoznak. A nyugat-európai országokban az USA s z a b v á n y t ó l kissé eltérő minősítési rendszert alkalmaznak. A z e szabvány szerint minősített eszközök esetében a minősítés-jóváhagyás és a minősítés-ellenőrzés köve telményeit a 6—8. t á b l á z a t o k foglalják össze az előbbi szabványhoz hasonlóan A , B és C vizsgálatok szerinti csoportosításban. A t á b l á z a t o k b a n E , F és L szimbólumokkal jelöljük a minőségi szinteket, és megadjuk a hozzájuk t a r t o z ó mintavételi ellenőrzési szinteket ( I L ) , az átvételi hibaszintet ( A Q L ) vagy m i n t a n a g y s á g o t (n) és az átvételi hibaszámot. A z időszakos C vizsgálatoknál f e l t ü n t e t t ü k az idősza kaszt (p) is. Ebben a minősítési rendszerben is igen fontos szerepük van a szűrővizsgálatoknak, amelye ket a 9. t á b l á z a t b a n sorolunk fel. 3/a táblázat A „ B " csoport vizsgálatai I . minőségi kategóriájú diszkrét félvezttő eszközökre (USA) Alcsoportok
Vizsgálat
LTPD értékre nagy tételekre
Méretek
10
8/0
2. alcsoport
Forraszthatóság és forrasztási h ő á l l ó s á g vizsgálat
15
6/0
3. alcsoport
H ő s o k k (hőciklus) vizsgálat Lezártság-vizsgálat Villamos p a r a m é t e r e k mérése Belső szemrevételezés SEM-vizsgálat Bondolási szilárdság vizsgálat
5. alcsoport
6. alcsoport
Élettartam-vizsgálat Gyorsított élettartam v i z s g á l a t (275 °G réteghőmérséklet, 96 óra) Villamos p a r a m é t e r e k mérése B o n d o l á s i szilárdság vizsgálat Hőellenállás-vizsgálat
10
—
XXXVI.
évfolyam
3/b táblázat A „ B " csoport vizsgálatai I L , I I I . , IV. minőségi kategóriájú diszkrét félvezető eszközökre (USA) Alcsoport
Vizsgálat F o r r a s z t h a t ó s á g é s for rasztási hőállóság vizsgálat
2. alcsoport
3. alcsoport
Lezártságvizsgálat Villamos p a r a m é t e r e k mérése Élettartam-vizsgálat Villamos p a r a m é t e r e k mérése Belső szemrevételezés
10 n = 20 c = 0
10
12/2 5/0
8/0
1985. 4. szám
LTPD értéke
15
H ő s o k k (hőciklus) vizsgálat
4. alcsoport
Megjegyzés: L T P D = v i s s z a u t a s i t á s i hibaszint (%); n = minta nagyság; c = átvételi hibaszám.
Híradástechnika
M i n t azt az előző részben l á t t u k , a minősítési rendszerek fontos részét képezik a szűrővizsgálatok. A szűrővizs gálatok segítségével válogatjuk k i a g y á r t o t t alkat rész tételéből azokat a p é l d á n y o k a t , amelyek az üze meltetés során v á r h a t ó a n rövid idő alatt meghibásodn á n a k . E z á l t a l a megszűrt alkatrészek m e g b í z h a t ó sága jelentősen megnő.
1. alcsoport
6/0
későbbiekben félvezető esz közökkel foglalkozott. A félvezető eszközök tartós szárazmeleg és elektromos terhelés vizsgálatát végzi. 1983 óta a Mikroelektro nikai Vállalat hasonló osztályán dolgozik. A Híradástechnikai Tudo mányos Egyesület tagja.
3 . Szűrővizsgálatok
m
10
GYULÁNÉ
Villamos üzemmérnöki oklevelét 1972-ben sze rezte a Kandó Kálmán Vili. Müsz. Főiskolán. 1972 és 1983 között a Tungsram Rt. MEF osz tályán dolgozott. Eleinte elektroncsővel, majd a
n/c kis tételekre
1. alcsoport
4. alcsoport
BARNA
B o n d o l á s i szilárdság vizsgálat
5. alcsoport
Hőellenállás-vizsgálat
6. alcsoport
Magas h ő m é r s é k l e t ű élettartam-vizsgálat villamos t e r h e l é s n é l k ü l
10
5
1 eszköz/0 meghibásodás tételenként n = 20, c = 0 15
7
Megjegyzés: L T P D = v i s s z a u t a s i t á s i hibaszint (%); n = minta nagyság; c = átvételi hibaszám.
155
4.
táblázat
A „C" csoport vizsgálatai az összes minőségi kategóriára diszkrét félvezetők esetében (USA) Vizsgálat
Alcsoport 1. alcsoport
LTPD érték 15
Méretek Hősokk vizsgálat Kivezetés
2. alcsoport
szilárdságvizsgálat
Lezártság-vizsgálat Nedvesmeleg á l l ó s á g v i z s g á l a t Külső
10
szemrevételezés
Villamos p a r a m é t e r e k mérése
3. alcsoport
Mechanikai ü t é s á l l ó s á g - v i z s g á l a t Rázásvizsgálat (változtatható frekvencián)
10
— A h i b á t okozó rejtett tulajdonság és a vele e g y ü t t fellépő és megismerhető, indikáló tulaj donság k ö z ö t t nem mindig van elegendően szoros korreláció. Sokszor olyan költséges vizs g á l a t t a l lehetne csak az indikáló tulajdonságot ellenőrizni, hogy a szűrés gazdaságtalan. Van nak olyan rejtett tulajdonságok, amelyik vizs g á l a t á r a nincs is m ó d , mivel ahhoz az alkat részt fel kellene bontani, márpedig szűrésre csakis nem roncsoló módszer alkalmas. — Abban az esetben, ha egyáltalán nincs olyan mérési, vizsgálati módszer, amely alkalmas a potenciális hibával összefüggő tulajdonságok ellenőrzésére, vagy e módszer gazdaságtala nul drága, akkor kerül előtérbe a h i b á t kipro vokáló igénybevétel ( p l . burn-in) kidolgozása és alkalmazása. A szűrni k í v á n t hiba okának, eredetének ismeretében k i kell választani a megfelelő h i b a a k t i v á t o r t (pl. h ő n t a r t á s , rázás
Villamos p a r a m é t e r e k m é r é s e Állandó
5.
gyorsulásvizsgálat
4. alcsoport
Sósködvizsgálat
15
5. alcsoport
Kislégnyomás-vizsgálat
15
6. alcsoport
É l e t t a r t a m - v i z s g á l a t (1000 óra)
A=
10
Megjegyzés: L T P D = v i s s z a u t a s í t á s i hibaszint (%); A = A-faktor ( % / Í 0 0 0 ' óra).
H a t é k o n y szűrővizsgálati módszerek kidolgozásá hoz ismerni kell az alkatrészek meghibásodásának módjait és azok kiváltó okait, vagyis a hibamecha nizmusokat is ismerni kell t o v á b b á azok aktiváló tényezőit. Minden szűrővizsgálat a következő feltéte lezéseken alapul: — A szűrendő alkatrésztétel-keverék, amely nagy részt az elfogadható hibásodással m ű k ö d ő rész ből és kisrészt az elfogadhatatlan m é r t é k b e n meghibásodó részből áll. — A használat során bekövetkező meghibásodás a példány kezdeti tulajdonságával előre meg határozott. — E kezdeti tulajdonságok nem roncsoló vizs gálati módszerekkel megismerhetők. — H a e tulajdonságok nem ismerhetők meg, akkor legalább olyan igénybevétel létezik, amely a potenciálisan hibás példányoknál a h i b á t rövid idő alatt előhívja. Vizsgálatokat végeztünk a fenti feltételezések ér vényességének meghatározására, ugyanis felmerülnek olyan gondolatok, hogy e feltételezések a gyakorlat ban csak korlátozottan valósulhatnak meg. — A szűrendő tétel jó része és a rossz része össze mosódhat, ha a h i b a t ü n e t e k azonosak. — A determinizmus érvényességében nem kell ké telkedni, mégis a meghibásodást gyakran semmi sem jelzi előre, a hiba hirtelen következik be. A hiba lehet valamely jellemző megváltozása, de lehet teljes működésképtelenség is. Tipikus példának említhető az üreges tokban megta padt, majd szabadon mozgó fémdarabka, amely adott esetben z á r l a t o t okoz.
156
táblázat
Szűrővizsgálatok diszkrét félvezető eszközökre (USA) Minőségi kategória
Szűrővizsgálat
I.
II.
in.
1. Belső v i z u á l i s ellenőrzés
X
X
—
2. H ő k e z e l é s magas hőmérsékleten
X
X
X
X
X
X
4. Á l l a n d ó g y o r s u l á s
X
X
X
5. R é s z e c s k e ü t k ö z é s é b ő l eredő zaj d e t e k t á l á s a
X
—
—
6. Ü t é s á l l ó s á g - v i z s g á l a t
X
3. H ő s o k k (hőciklus)
%
—
Rázásvizsgálat
X
7. L e z á r á s v i z s g á l a t
X
X
X
8. S o r s z á m o z ^
X
—
—
9. K ö z b e n s ő p a r a m é t e r mérés
X
—
—
10. Magas h ő m é r s é k l e t ű égetés záróirányú előfeszítéssel
X
X
X
11. K ö z b e n s ő p a r a m é t e r mérés
X
X
X
X
X
X
240 óra
168 óra
168 óra
12. É g e t é s villamos terheléssel Tranzisztorokra D i ó d á k r a , egyen irányítókra
240 óra
96 óra
96 óra
13. V é g s ő elektromos paramétermérés
X
X
X
14. L e z á r á s v i z s g á l a t
X
—
—
15. Á t v i l á g í t á s r ö n t g e n sugárral
X
—
—
16. K ü l s ő v i z u á l i s ellenőrzés
X
—
—
Híradástechnika
XXX VI.
évfolyam 1985, 4. szám
6.
táblázat
Diszkrét félvezető eszközök minősítő vizsgálatai. Tételenkénti vizsgálatok Az „ A " csoport vizsgálatai (Nyugat-Európa) Minőségi szint Vizsgálat AQL
IL A1
I.
1,5
diódák tranzisztorok
II. II.
0,10 0,15
diódák tranzisztorok
0,4
a legfontosabb statikus p a r a m é t e r e k
II. II.
0,65 1,0
ha < 4 p a r a m é t e r ha ^ 4 p a r a m é t e r
II.
0,65
a t ö b b i statikus paraméterek
I. I.
2,5 4
ha -= 4 p a r a m é t e r ha s 4 p a r a m é t e r
S4
1
dinamikus para méterek
S4 S4
4 6,5
ha -= 4 p a r a m é t e r ha ^ 4 p a r a m é t e r
I.
0,65
II. II.
0,10 0,15
II.
alcsoport
alcsoport
Villamos p a r a m é t e r e k
Ai
megjegyzés
alcsoport
Villamos p a r a m é t e r e k
A3
AQL
• %
vizsgálat
M ű k ö d ő k é p e s s é g ellenőrzése
A2b
IL
alcsoport
Szemrevételezés A2a
megjegyzés
alcsoport
Villamos p r a m é t e r e k
Megjegyzés:
I L - e l l e n ő r z é s i e s z í n t , A Q L - á t v é t e l i h i b a s z í n t (%). 7.
táblázat
Diszkrét félvezető eszközök minősítő vizsgálatai tételenkénti vizsgálatok A „ B " csoport vizsgálatai (Nyugat-Európa) Minőségi szint Vizsgálat
E
Bl alcsoport Méretek B2 alcsoport A z eszközre megadott határadatok ellenőrzése B3 alcsoport Kivezetők hajlításvizsgálata, ha meg valósítható B4 alcsoport Forraszthatóság B5 alcsoport Ciklikus h ő mérsékletvál tozás, utána gyorsított nedvesmeleg vagy lezártság vizsgálat B8 alcsoport Villamos terhelés
L
F IL
AQL
IL
AQL
15/0 vagy 25/1
S2
2,5
S2
2,5
15/0 vagy 25/1
S4
4
15/0 vagy 25/1
S3
2,5
S2
4
22/0 vagy 38/1
S4
2,5
S4
2,5
n/c
A következőkben előbb a diszkrét félvezető esz közök jellemző hibamechanizmusait mutatjuk be, majd i s m e r t e t ü n k k é t h a z á n k b a n kidolgozott szűrő vizsgálati módszert, t o v á b b á beszámolunk ezen mód szerek a l k a l m a z á s á n a k tapasztalatairól. 3.1. Diszkrét félvezető eszközök meghibásodásának okai és a jellegzetes hibamechanizmusok. Hibaeredet A h a s z n á l a t b a n előforduló tipikus h i b á k o k á t vizs gálva jellegzetes hibaeredetek, hibamechanizmusok: t a l á l h a t ó k . A legismertebbeket a 10. t á b l á z a t foglalja össze. A t á b l á z a t tartalmazza a hiba eredetét, a, jellegzetes t ü n e t e t , t o v á b b á azokat a külső ténye-; zőket, amelyek a hiba megjelenését befolyásolják.; A10. t á b l á z a t b a n felsorolt hibaeredetekről a következő összefoglalót kell ismerni ahhoz, hogy a -megfelelő szűrővizsgálatot megtervezhessük. ,• Bezárt vezető részecske. Üreges tok esetén előfordul, hogy kristálytörmelék, vezető por (pl. elszenesedett textilszál), bondoló huzal d a r a b k á j a b ú v i k meg a t o k ban- E kis tömegű részecskék valahol észrevétlenül megtapadnak. A használat során, kiszámíthatatlá-í nul átvezetést, z á r l a t o t okozhatnak. Nagy gyorsulásű, ütés, rázás képes e részecskéket megmozdítani.:;: ** Fémezés (aluminizálás)i<$zakndása. A ; vákuumpárologtatással és szelektív, 5 marássál k i a l a k í t o t t "fét
15/0 vagy 25/f
38/1 vagy 52/2
S4
2,5
S4
1,5
Megjegyzés: n = mintanagyság,; c = átviteli szám; = ellenőrzési szint; A Q L = á t v i t e l i hibaszint (%).
Híradáslechnika
stb.) és a h i b a i n d i k á t o r t (pl. szaturációs fe szültség, zaj stb.), el kell dönteni az igénybe vételi időt. Sok esetben a megfelelő igénybe vétel t ú l drága, m á s esetben az igénybevétel a jóknál is megindít kedvezőtlen hibamechaniz musokat. Az sem mindig magától értetődő, hogy adott igénybevételre a különböző alkat részpéldányok azonos hibamechanizmus bein dulásával reagálnak.
XXXVI,évfolyam
J
IL =
1985. 4. szám
8.
táblázat
Diszkrét félvezető eszközök minősítő vizsgálatai időszakonkénti vizsgálatok A „C" csoport vizsgálatai (Nyugat-Európa) Minőségi osztály Vizsgálat
p
n/c
8/1
3
8/1
15/0 vagy 25/1
13/1
3
13/1
32/0 vagy 55/1 á r a m o k 15/0 vagy 25/1 á r a m o k és f e s z ü l t s é g e k
18/1
3
18/1
15/0 vagy 25/1
13/1
3
8/1
15/0 vagy 25/1
8/1
6
8/1
22/0 vagy 38/1
18/1
—
—
3
13/1
6
8/1
n/c Cl
alcsoport
H ú z á s é s / v a g y csavarás alcsoport
Forrasztási h ő á l l ó s á g CS
alcsoport
Ciklikus h ő m é r s é k l e t - v á l t o z á s , u t á n a g y o r s í t o t t nedvesmeleg vagy l e z á r t s á g v i z s g á l a t C6
15/0 vagy 25/1
alcsoport
Villamos t e r h e l é s
C9
15/0 vagy 25/1
é
8/1
alcsoport
Nedvesmeleg-állóság (ha l e h e t s é g e s ) C8
15/0 vagy 25/1
alcsoport
Ü t é s vagy á l l a n d ó g y o r s u l á s , rázás C7
megjegyzés
alcsoport
C2c alcsoport A z e s z k ö r e megadott h a t á r a d a t o k ellenőrzése
C4
megjegyzés
alcsoport
Záróirányú paraméterek
C3
n/c.
megjegyzés
8/0 vagy 13/1
Villamos m é r é s e k C2b
|
alcsoport
Méretek C2a
L
P (p = 3 hónap)
E (p=3 hónap)
Megjegyzés:
38/1 vagy 52/2
körny. hőm.
3
32/3
körny. hőm.
34/2
tokhőm.
3
25/2
tokhőm.
43/3
körny. hőm.
34/2
tokhőm.
—
I L = ellenőrzési szint; A Q L = á v i t e l i hibaszint (%) P = ellenőrzés i d ő s z a k a ( h ó n a p ) .
mezés s z a k a d á s á n a k t ö b b oka lehet. Első helyen a korrózió áll. Meg kell említeni az elektromigrációt és az oxidlépcsőknél bekövetkező s z a k a d á s t is. A fémezés egy része érintkezik a környező mikro klímával m é g akkor is, ha a nagyobb részét védő réteg (pl. üveg, nitrid) takarja. A t o k belső atmosz férájának k i t e t t részen, a bezárt szennyezőktől eredő en korrózió léphet fel. A korróziót fokozhatja a fémezett részek közti feszültség, a különböző fémek érintkezése, a bezárt vagy behatoló víz, t o v á b b á valamilyen m a r ó anyag p l . a klór. A fémezésben folyó elektromos á r a m h a t á s á r a a f é m a t o m o k átrendeződnek, a kristályszerkezet á t a l a k u l , szakadásra vezető helyi fémhiányok léphetnek fel. E z t az elektromigrációt gyorsítja a nagyobb áramsűrűség és a nagyobb hőmérséklet. A szakadás tipikus helye az oxidlépcsőnél kialakult vékonyodás és a termokompressziós kötés környezete. A korrózió gyakran a tokba kívülről behatoló ag
158
43/3 38/1 v a g y 52/2
alcsoport
T á r o l á s magas h ő m é r s é k l e t e n
18/1
resszív anyag következménye, ezért ilyenkor sze kunder h i b á n a k számít. Fémezés (aluminizálás) oldódása a szilíciumban. Nagyobb hőmérsékleten előfordul, hogy a fémezéshez h a s z n á l t alumíniumba szilícium diffundál be és a szilícium helyére a l u m í n i u m hatol, ami ha elég mély, a p n - á t m e n e t e t rövidre zárja. Fémszakáll (whisker). A k á r a tokon kívül a kive zetések k ö z ö t t , a k á r a kristály felületén hosszabb idő alatt képződhet tűszerű vagy dentrites fémkris tály, amely z á r l a t o t okozhat. A képződést klimatikus és hőmérsékleti h a t á s o k segíthetik elő. Ismert az ón, az alumínium, az arany ilyen tulajdonsága. E z ü s t esetében szulfid kristályok nőhetnek a kivezetések közé. Hermetikusságromlás. Sok szekunder hibát okoz a hermetikusság elégtelensége. A különféle tokozási formának megfelelően a fém—üveg, fém—kerámia, fém—polimer, fém—fém kötés tökéletes záróképesséHíradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 4. szám
9. táblázat Diszkrét félvezető eszközök szűrővizsgálata (Nyugat-Európa) Sorszám 1.
2.
3.
4.
5.
Sorozatok
Készletek és feltételek
Vizsgálat
1
A
*
1
0
D
Belső vizuális ellenőrzés
Nem a l k a l m a z h a t ó azokra a d i ó d á k r a , amelyek nek á t l á t s z a t l a n v a g y m ű a n y a g a t o k o z á s u k , valamint az e g y e n i r á n y í t ó d i ó d á k r a és a tirisz torokra
X
Tárolás magas hőmérsékleten (stabilizáló h ő k e z e l é s )
Á l t a l á b a n a tárolási h ő m é r s é k l e t az e s z k ö z r e meg engedett m a x i m á l i s é r t é k , az i d ő t a r t a m pedig l e g a l á b b 24 óra
X
X
X
Gyors h ő m é r s é k l e t változás
A z e s z k ö z előírásai szerint
X
X
X
Állandó gyorsulás (centrifuga)
Nem a l k a l m a z h a t ó a k é t k i v e z e t ő v e l r e n d e l k e z ő alkatrészekre, az e g y e n i r á n y í t ó d i ó d á k r a és t i risztorokra, valamint ü r e g m e n t e s t o k o z á s ú esz közökre. A z i d ő t a r t a m l e g a l á b b 1 perc, a g y o r s u l á s az e s z k ö z r e megadott érték.
X
X
X
Csak ü r e g e s t o k o z á s ú e s z k ö z ö k r e
X
X
X
X
X
Lezártságvizsgálat
•
— finom — durva 6, 6.1.
F u n k c i o n á l i s villamos paraméterek Méréses m i n t a v é t e l
A m i n ő s í t ő v i z s g á l a t o k v é g p o n t j a i b a n előírt m é r é s e k e t kell itt is e l v é g e z n i
6.2.
Minősitéses m i n t a v é t e l A h a t á r a d a t o k a t t ú l l é p ő e s z k ö z ö k k i v á l o g a t á s a
V a l a m e n n y i e s z k ö z összes mérése és f e l j e g y z é s e
paraméterének
leX X
A C sorozatnak ez az u t o l s ó v i z s g á l a t a 7.
Égetés
Időtartam:
a)
Időtartamtűrés:
diódák, az egyen irányító diódák kivételével
b) bipoláris t r a n zisztorok
168
72 h
48
-4
-2
h
Magas h ő m é r s é k l e t , n y i t ó v a g y z á r ó i r á n y ú előfeszültség Villamos m ű k ö d é s , n é v l e g e s k ö r n y e z e t i h ő m é r sékleten
c) bipoláris t r a n zisztorok
N é v l e g e s t o k h ő m é r s é k l e t e n , záró előfeszültséggel
d) e)
Magas h ő m é r s é k l e t e n , záró előfesz. N é v l . k ö r n y . h ő m é r s é k l e t e n n y i t ó i r á n y ú feszült séggel, n é v l . t o k h ö m é r s é k l e t e n , z á r ó i r á n y ú fe szültséggel
FET-ek egyenirányító diódák
h
-8
f) tirisztorok 8. 8.1. 8.2.
F u n k c i o n á l i s villamos paraméterek Méréses m i n t a v é t e l Minősitéses minta vétel
Megjegyzés:
X
Mint a 6.1.-ben Mint a 6.2.-ben
X
X
n = m i n t a n a g y s á g ; c = á t v i t e l i h i b a s z á m ; P = ellenőrzés i d ő s z a k a ( h ó n a p ) .
gét a helyes anyag választása és a technológia biz tosítja. Mégis a hőciklusok, a kivezetések és a t o k mechanikai igénybevétele repedéseket okozhatnak. A környezet agresszív anyagai a kötések t a p a d á s á t elronthatják, korrózió következtében a szerkezet anyagait elroncsolhatják. Ilyen esetben a tok nem képes visszatartani a szennyezőanyagokat. Ismeretes, hogy a m ű a n y a g tokos eszközöknél maga a polimer is bizonyos m é r t é k b e n átengedi a vízgőzt. Inhomogén tömb. A kristályban eleve meglevő inho mogenitás (kristályhibák, vezetőképesség inhomoge nitás, szennyező z á r v á n y o k stb.) vagy a technológia alatt kialakuló inhomogenitás (pl. E D E - h a t á s , bázis Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 4. szám
ellenállás eltérés) h a t á s á r a az eszközben folyó á r a m , a k á r az a k t í v , a k á r a záró ü z e m m ó d b a n vagy letörési á l l a p o t b a n nem egyenletesen oszlik el, hanem c s a t o r n á k b a n k o n c e n t r á l ó d h a t . E csatornák t ú l melegedhetnek és az inhomogenitás idővel fokozó dik, végül zárlat alakul k i . Az inhomogenitásból eredő h i b á k megjelenését a hőmérséklet, az elektro mos igénybevétel befolyásolja. Kristályfelület-szennyezés. A p l a n á r technológiával előállított p n - á t m e n e t e k kiérnek a kristály felületére, de a felülettakaró szilícium-oxid, védőüveg, szilíciumnitrid védőrétegek elzárják a p n - á t m e n e t e t a kör nyező atmoszférától. Nem tökéletesen záró védő-
159
Termokompressziós kötés romlása. A gyengén tapa dó (rosszul kivitelezett) kötések felválnak a h a s z n á l a t során előforduló hőkiterjedési mozgások és mecha nikai eredetű erők következtében. A jól kivitelezett kötések is elromolhatnak intermetallikus ötvözetek kialakulása (pestis) vagy korrózió következtében. Az A u , A l , Si rendszerben nagyobb hőmérsékleten le zajló diffúzió kis szilárdságú, nagy fajlagos ellen állású ötvözetet alakít k i , ami miatt a kötés ohmikus ellenállása megnő, a t a p a d á s lecsökken. Mindez az eszköz elektromos jellemzőinek romlásával j á r e g y ü t t , végül szakadás következik be.
Bezárt ré szecske (vezető)
Bizonytalan működés, zárlat
F é m e z é s (Al) s z a k a d á s , kor rózió miatt, elektromigráció miatt, oxidlépcsőnél
Szakadás, ezt meg előzően pl. maradékfeszültszültségnövekedés
X X
F é m e z é s (Al) o l d ó d á s szi líciumban
Zárlat
X
Fémszakáll
Zárlat
X
Hermetikusságromlás üveg—fém, kerámia—fém, polimer—fém fém—fém záró f e l ü l e t e k mentén
Minden olyan hiba kifejlődhet ami v í z t ő l függ
Inhomogén t ö m b : fajlagos ellenállás inhomogén rétegvastagság inhomogén
Kicsi igény bevehető tartomány (SOAR) Zárlat
Kristályfelület szennyezése
Záróáram romlás, zajosodás, erősítés csökkenés
Kristályfel válás forrasztásnál ragasztásnál
Szakadás
X
K r i s t á l y repedés
Bizonytalan működés Zárlat
X
Termokompreszsziós k ö t é s rom lása gyenge szerelés miatt pestis miatt korrózió miatt k é m i a i ok g a l v á n ok elektrolitikus ok
Szakadás, ezt meg előzően pl. maradékfeszültség növekedés
Termokomp ressziós huzal szakadása
Szakadás
Termokomp ressziós huzal zárlata
Zárlat
CG
•3
1
l ti
%
kivezetés mechanikai igénybevétele
áram
Tünet (hiba)
feszültség
Hibaeredete (ok. hibamechanizmus)
hőmérséklet-változás
I
Befolyásoló tényezők
X
X
X
X X
X
X
X X X
X
X
X
X X
X
X
X
X
X X
X
X
X
X X X X
X
i
160
táblázat
Hibaeredetek és hatótényezők
X X X X
A kötési területen levő eltérő fémek k ö z ö t t galván és elektrolites korrózió is előfordul. A kötés környe zetében gyakori a kémiai korrózió is. Mindenféle korróziót siettet, ha a kötéshez szennyező anyag pl. klór j u t . A szennyező anyag a nem hermetikus tokozás m i a t t kívülről is bejuthat. Ilyen esetben a kötés romlása szekunder hiba. Termokompressziós huzal szakadása. M i n d az arany, mind az alumínium huzal jelentősen deformálódik a bondolás helyén, ezáltal lecsökken a szilárdsága. A huzal metallográfiai szerkezete fokozatosan á t alakul, durva kristályok alakulnak k i , melynek ha t á r á n csúszások, szakadások következhetnek be; A huzalba diffúzió ú t j á n ötvöző a n y a g k é n t be hatolhat a fémezés anyaga vagy maga a szilícium, ami rontja a huzal szilárdságát. Mechanikai igény bevétel (ütés, rázás, állandó gyorsulás) s z a k a d á s t okozhat. M ű a n y a g tokozású eszközöknél a hőciklusok h a t á s á r a szakadhat el a huzal.
10.
hőmérséklet
rétegen á t szennyezők (pl. ionos szennyezők, víz) juthatnak a p n - á t m e n e t h e z és ionvándorlás követ keztében átvezetési á r a m o t okozhatnak. Szennyezés ép védőréteg esetén is okozhat bajt, ha^a rá települő ionos szennyezők téreffektussal be^ f oly ásol ják a kristály felületközeli töltéshordozóit és kedvezőtlen esetben vezetési típus inverziót okoz nak. Az inverzió m i a t t kiterjedő p n - á t m e n e t e n meg n ö v e k e d e t t z á r ó á r a m folyik. Nagy m é r t é k ű inverzió esetén a p n - á t m e n e t a védőréteggel nem fedett, roncsolt k r i s t á l y t a r t o m á n y i g is kiterjedhet, ami nagy átvezetést okoz. A felületi hibák miatt megnöveke dő rekombináció csökkenti az áramerősítési tényezőt, növeli a zajt. A szennyező anyag eleve rajta lehetett a kristályon, de a tok távolabbi pontjáról is oda j u t hatott a hőgradiens, az elektromos t é r h a t á s á r a , vagy a nem hermetikus t o k miatt kívülről j u t o t t be. E m i a t t e hibaokokat sokszor szekunder oknak tekintik. Kristályfelválás. Az eutektikus arany-szilícium for rasztásnál is, vezető m ű a n y a g ragasztásnál is elő fordul, hogy az ismétlődő hőmérsékleti ciklusok okozta hőkiterjedés következtében a kristály felvá lik a t a r t ó fémről. R i t k á n fordul elő, hogy korrózió okozza a kötés elromlását. Szakadásként, m a r a d é k feszültség romlásként jelentkezik. Kristály repedés. I n k á b b nagy méretű chipeknél előforduló hiba a kristály repedése. A hőmérsékleti ciklus, az ismétlődő k i - és bekapcsolás okozhatja, ha á hőkiterjedési tényező jelentősen eltér a kristály és a hozzá kapcsolódó anyagok között. A letörési feszültség csökkenésében, z á r ó á r a m növekedésben, z á r l a t k é n t mutatkozik meg.
Híradástechnika
XXXVI.
X
X
X
X
X
évfolyam
X
1985. 4. szám
Termokompressziós huzal zárlata. Elsősorban sze relési hiba miatt a huzal túlságosan megközelítheti a szomszédos k ö t ő h u z a l t , valamely fém t a r t ó t vagy a kristályt. Hőciklusok, mechanikai igénybevételek h a t á s á r a a távolság t o v á b b csökkenhet és zárlat alakul k i . A 10. t á b l á z a t 12-féle fő hiba eredetét sorolja fel. Ezeket az egyes tényezők a következő rangsor sze r i n t befolyásolják:
90
F i.°h) 50
10
8-féle hiba eredetét befolyásolja a hőmérséklet; 7-félét a hőmérséklet-változás; 5-félét a nedvesség; 5-félét a gyorsulás; 4-félét az elektromos feszültség; 2-féIét az elektromos á r a m ; 2-félét a kivezetések igénybevétele. Olyan esetben, amikor a hibákról semmit sem tudunk „valószínűségi alapon" célszerű olyan szűrő vizsgálattal próbálkozni, amely a legtöbbféle hiba eredetére h a t ó igénybevételt adja. E z é r t találkozni leggyakrabban h ő n t a r t á s b ó l , hőciklusból álló szűrő vizsgálattal.
10
01 CBO
2. ábra. Kollektor visszáram eloszlás függvénye lognormál papíron. A szelektáló h a t á r kb. 0,6 nA-nál választható a normális szórásból kieső példányok kerüljenek sze lekcióra. A vizsgált jellemzők: I , I EO> U ( ) , UcEsaf \TE> ugyanis ezeknél a Gauss-papíron, illetve lognormál-papíron ábrázolt eloszlásfüggvény egyes esetben jól l á t h a t ó t ö r é s p o n t o t mutatott. A szűrés h a t á r á t a t ö r é s p o n t n á l v á l a s z t o t t u k meg ( 1 . á b r a és 2. ábra). A fent leírt, normális szórásból kieső példányok alapján végzett szűrésen kívül k i p r ó b á l t u k a burn-in módszert is. A maximálisan megengedett réteghő mérsékletet (T ) és 0,7 U igénybevételt á l l í t o t t u k elő meglelő tápfeszültség és kollektor á r a m beállításával. Az igénybevétel ideje 168 óra. Az á r a m k ö r kéttelepes táplálású báziskapcsolás. C B 0
3.2. Szűrés méréssel és burn-in
módszerrel
A szűrővizsgálatokat az alábbi m ű a n y a g tokos szilí cium p l a n á r tranzisztorokon p r ó b á l t u k k i : B D 241 C, B D 242 C, B D 810
nagy teljesítményű, hangfrekvenciás tranzisztorok
B F B 90
közepes teljesítményű, nagyfrekvenciás tranzisztor kis teljesítményű, nagyfrekvenciás tranzisztorok
B F 479 T , B F 679
jmíiX
Típus
1. ábra. Kollektor—emitter letörési feszültség eloszlás függvénye Gauss-papíron. A töréspont kb. 120 V-nál jelöli k i a szelektáló h a t á r t XXXVI.
évfolyam
241 G
Szűrő jellemző
szűrés nélkül (10-» l/h)
1985. 4. szám
táblázat
szűrve (10-8 1/ü)
6,6 (78 586)
ICEO UcBsat 1)21E
9,6
7 (89 170)
ICBO U(BB)CBO UcEsat
4
3,1 (29 500)
B F B . 90
ICBO
3,4
3,6 (82 668)
B F 479 T
ICBO
2,1
1 75 (234 502
BF
ICBO
1,24
1,28 (244 418)
242 G
810
(V) H27-1
Híradástechnika
C E m a x
5,3
BD
(BR)CEO
C E 0
ICBO U(BR)CEO h2lE
BD
u
B R
Méréses módszer eredményei
BD
160
C
11.
A szűrővizsgálatot méréses módszerrel annak feltéte lezésével t e r v e z t ü k , hogy a meghibásodásra vezető rejtett tulajdonság és az egyes, szokás szerint m é r t jellemzők értékei összefüggnek. Ű g y t e r v e z t ü k , hogy
K0
(nA)
Megjegyzés: Az utolsó oszlopban zárójelben az eszközóravolumen van feltüntetve.
161
12.
táblázat
Burn-in módszer eredményei Típus
BD
241 G
BD
242 G
810
BD
^60
szűrés nélkül (10-6 l/h)
szűrre (10-« 1/h)
(73
2,7 250)
(72
4,6 000)
7,1
11,4
1,85
4 (49
90
B F R
BF
479 T
BF
679
VARADI
500)
A Mikroelektronikai Vál lalat megbízhatóság vizs gálati főosztályánakcsoportvezetője. Villa mosmérnöki oklevelét 1974-ben szerezte a Bu dapesti Műszaki Egye temen. A MEV jogelőd jénél, a HIKI-ben kez dett dolgozni megbízha
6
12,4 (32
750)
(148
2 8 750)
3,5
1
2,1 (198
ISTVÁN
750)
tósági vizsgálatok mérési eredményeinek számító gépes kiértékelése terüle tén. Az utóbbi években témái közé tartozik az elektronikai alkatrészek és berendezések megbíz hatóságának előrejelzése is. 1983-ban megbízható ság szakmérnöki okleve let szerzett a BME-en.
Megjegyzés: A z u t o l s ó oszlopban zárójelben az e s z k ö z ó r a volumen v a n f e l t ü n t e t v e .
3.3.
Hibafajták összehasonlítása
Eredmények
13.
A s z ű r t és szűrés nélküli tételeket elektromos t a r t ó s terhelésnek v e t e t t ü k alá. A terhelés T jmax é S 0,7 U igénybevétel mellett t ö r t é n t A meghibásodást az alábbi jellemzőkkel i n d i k á l t u k : C
E
m
a
x
I kollektor visszáram; I kollektor-emitter visszáram; U(BR)CEO kollektor-emitter letörési feszültség; h nagyjelű áramerősítési t é n y e z ő ; UcEsat szaturációs feszültség.
Szűrés
nagy
C B 0
C E 0
Szűrés alatt észlelt, ill. kimutatott hibafajta
Méréses módszer
táblázat
Ellenőrző tartós terhelés során észlelt hibafajta
ICBO
nagy 1 E O C
nagy
ICEO
kis U ( B B ) C B O
kis h i B
nagy UcEsat
kis
2
U(BB)CBO
2 1 E
A vizsgálat végén m e g h a t á r o z t u k a meghibásodási r á t a 60%-os konfidenciahatárát (A ). A z eredménye ket a 11. és 12. t á b l á z a t foglalja össze. A szűrés során és az ellenőrző terhelési vizsgálat során m e g m u t a t k o z ó h i b á k a t a 13. t á b l á z a t foglalja össze. 6o
4. Értékelés A szokásosan vizsgált jellemzők kezdeti mérésével és a normális eloszlás h a t á r á h o z illesztett szelektáló h a t á r módszerével t ö r t é n ő szelektálás nem vezetett gyakorlatban h a s z n á l h a t ó eredményre. N é h á n y t í pusnál m u t a t k o z ó kis javulás nincs a r á n y b a n a ráfor dítással. A megbízhatóságot r o n t ó , rejtett tulajdon ság nem korrelált a v á l a s z t o t t jellemzőkkel. T o v á b b i vizsgálatok szükségesek olyan, á l t a l á b a n nem vizs g á l t tulajdonság felderítésére, amely képes előreje lezni a meghibásodást. Valószínű, hogy ilyen tulaj donság típus és g y á r t m á n y specifikus lenne, ezért álta lános szűrési módszerként nem jöhetne szóba.
162
nagy
Burn-in módszer
ICBO
nagy
I BO C
nagy
I EO C
kis h i E
kis h.21E
kis
kis U ( B B ) C E O
2
U(BB)CBO
Az elektromos terheléssel végzett szűrés (burn-in) minden vizsgált tranzisztorfajtánál eredményesnek mutatkozott. A s z ű r t tétel megbízhatósága kb. k é t szerese a szűretlennek. A v á l a s z t o t t módszernél a megengedett igénybevételt nem léptük t ú l , ezért nem lépett fel szokatlan hibafajta. A 13. t á b l á z a t mutatja, hogy a szűrés során t a l á l t hibák jól meg egyeznek az ellenőrzés során m e g m u t a t k o z ó k k a l . Va lószínűen lehetséges kidolgozni olyan burn-in mód szert, amely a megbízhatóságot a k a p o t t n á l nagyobb m é r t é k b e n növeli. Mindenesetre csakis olyan mód szer lenne elfogadható amelynél még nem lép fel szokatlan hibafajta. Mivel a fentiek egymástól jelentősen eltérő típu sokra vonatkoznak, lehetséges az eredményeket szilícium planár tranzisztorokra általánosan érvé nyesnek tekinteni.
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 4. szám
