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        電子元器件可靠性評價與試驗

        2022-02-23 17:24??? ???

          一、可靠性評價

          電子元器件的可靠性評價是指對電子元器件產品、半成品或模擬樣片(各種測試結構圖形),通過各種可靠性評價方法,如可靠性試驗、加速壽命試驗和快速評價技術等,并運用數理統計工具和有關模擬仿真軟件來評定其壽命、失效率或可靠性質量等級。同時,利用可靠性篩選技術來評價產品是否合格,剔除早期失效的不合格品。

          隨著電子元器件可靠性的要求不斷提高,電子元器件向超微型化、高集成化、多功能化方向更加迅猛的發展,對器件的可靠性評價技術日益為人們所關注。近年來,在這方面也相繼取得了很多好的進展。以集成電路為例,如果沿用傳統的可靠性試驗來評價產品可靠性,對于集成度高、生產數量少、試驗費用昂貴的器件產品,普遍感到有很大的困難。有的生產單位,開始采用加速壽命試驗方法,可以縮短一些評價時間。后來,又采用晶片級可靠性 (WLR) 評估技術,在生產過程中或封裝前用測試結構樣片進行可靠性評估,加強了生產過程的控制,使影響器件可靠性的各種因素在生產過程中得到了及時的排除和改進。最近,又開展了在研制設計階段就開始針對產品可能存在的失效模式,在線路設計、版圖設計、工藝設計和封裝結構設計中進行可靠性設計,同時加強在線的可靠性質量控制,使可靠性評價技術逐漸由“輸出”控制(成品控制)前移到了“輸入”端的設計控制、生產過程控制,逐步建立了內建可靠性的概念,進一步實現了電子元器件的可靠性是“設計和制造進去,而不是靠篩選出來的”觀念。

          

        可靠性評價

         

          二、可靠性評價技術的進展

          以集成電路可靠性評價技術為例。它在原有的可靠性試驗、可靠性篩選、加速壽命試驗等評價技術的基礎上,又發展了晶片級可靠性評價方法、微電子測試結構評價方法、結構工藝質量認證評價方法、敏感參數快速評價方法、計算機輔助可靠性評價方法等。這些評價方法與傳統方法相比,都有節省試驗樣品、縮短試驗時間、減少試驗費用的特點,都是為了適應當今超大規模集成電路的發展而出現的評價方法,各自都具有很強的發展潛力。下面對這些評價方法做些簡要的介紹。

          1、晶片級可靠性評價方法

          由于芯片中元器件數目大幅度增加,在可靠性試驗中難于將應力均勻地加到每個元器件上,使得可靠性試驗的評價方法感到了一定困難。由于芯片集成密度提高,伴隨而來的縱向和橫向幾何尺寸的微細化,也給失效機理的分析和失效部位的確定帶來困難。這些都增加了根據失效模式進行可靠性評價的難度。為此,目前在國際上對于規模比較大的集成電路的可靠性評價的主要工作放在封裝成品前進行。這種方法稱之為晶片級可靠性(WLR)評價方法。

          WLR評價方法是在芯片生產過程中,通過工藝監測,對與主要失效模式有關的內容進行評價。如由芯片上的Si-SiO2采集到氧化層中載流子陷阱密度、界面態密度、可動電荷和固定電荷密度、針孔密度、氮化硅中氧含量等監測數據。利用這些數據來評價集成電路抗熱電子效應能力和與時間有關的擊穿(TDDB)的可靠性。由芯片上金屬化層在熱電應力作用下的監測數據,用來評價集成電路金屬互連系統的可靠性。類似方法可用于芯片上對抗靜電、抗電浪涌能力的評價、對CMOS芯片的抗閂鎖能力評價等。

          晶片級可靠性評價方法就是根據主要失效模式,設定芯片階段的監測內容,從監測到的數據來評價集成電路的可靠性。由于這種方法是在生產過程中結合工藝監測進行的,所以它能夠提供快速反饋,及時對影響可靠性的因素采取有效的改進措施,也有利于縮短產品可靠性增長的時間。不足之處是它不能反應和解決引線封裝對集成電路可靠性帶來的影響。

          2、微電子測試結構可靠性評價的方法

          多年來微電子測試結構已廣泛用于集成電路生產中作為工藝監測手段。隨著可靠性評價技術的發展,微電子測試結構已被用于集成電路的可靠性評價。它可用于產品的研制階段,對可靠性設計進行評審;也可用于生產階段,對產品進行可靠性評價。它針對不同器件的主要失效模式,結合結構及工藝特點,設計出不同的可測試的微電子結構圖形。也可以針對超大規模集成電路(VLS1)中所有可靠性薄弱環節的單元電路來設計出微電子測試結構。

          這些測試結構圖形,既可以在工藝過程中進行測試,也可以單獨封裝,施加各種應力做各種可靠性試驗。根據這些測試數據以及這種結構與VLSI具體結構的關系得出VLSI的可靠性評價。

          

        可靠性評價

         

          3、結構工藝質量認證可靠性評價方法

          美國、日本等國家開始研究通過對生產集成電路的生產線進行結構工藝質量認證,來評價器件的可靠性。對生產線進行認證或論證的內容有:①針對生產器件的主要失效模式和機理,對器件的幾何結構和材料結構進行可靠性論證;②對生產線工藝設備的可控能力、監測設備的配套程度和監測精度、人員技術水平和可靠性意識進行認證;③對各項工藝質量參數和工藝質量一致性進行認證;④對可靠性管理進行認證。

          凡是認證水平達到某一可靠性技術標準要求,在這一生產線上生產的集成電路產品即達到了某一可靠性水平。這正是美國國防部將原來使用的認證合格器件清單(QPL)發展為認證合格器件生產廠家清單(QML)所遵循的思想。這說明在美國,這一評價方法已在一定程度上進入了實用階段。

          4、敏感參數可靠性評價方法

          人們在長期可靠性實踐中發現半導體器件的某些參數與它本身的可靠性有很強的相關性。通過測定這些參數可以評估器件的可靠性水平。這些參數稱之為可靠性的敏感參數。如器件的低頻噪聲、雙極型晶體管小電流下的電流放大系數和pn結的反向漏電流等都與器件的可靠性有明顯的相關性。所以,世界各國的可靠性工作者都在努力研究如何利用這些敏感參數來評估器件的可靠性或提高其評估精度。

          以低頻噪聲為例,它與雙極型晶體管的hFE、MOSFET在負溫偏下的跨導退化和閾值電壓漂移有相關性。當這些漂移失效成為器件的主要失效模式時,通過測定器件初始的低頻噪聲就可以評估出這些器件的可靠性。低頻噪聲(1/f噪聲)的大小反映了器件表面、界面結構的完整程度,噪聲越大,說明結構越不完整。器件的低頻噪聲來源于表面勢的起伏,表面勢的起伏是由于氧化層界面陷阱中電荷漲落引起的,界面陷阱密度越大,反映了界面缺陷越多,表面結構越不完整,低頻噪聲越大。表面缺陷在器件工作時會導致器件性能的劣化,其中最明顯的就是器件參數的漂移。這就是用低頻噪聲作為敏感參數,評估器件可靠性的理論依據。

          用敏感參數來評價電子元器件可靠性的最大優點是省時、經濟、非破壞性,所以引起了可靠性工作者的極大興趣。但是這種方法還不完全成熟,仍有一定的局限性,有待不斷探索更多的敏感參數、更有效的評估方法和不斷提高其評估精度。

          5、計算機輔助可靠性評價方法

          隨著集成電路功能、結構的日益復雜,影響集成電路可靠性的因素也日趨復雜,要準確地評價集成電路的可靠性勢必要依賴于精確的可靠性物理分析,建立復雜的數學模型,再經過大量的數據處理。這些工作只有依靠計算機才能完成。所以,利用計算機進行可靠性評價是今后集成電路可靠性評價的必由之路。

          計算機輔助可靠性評價工作由以下幾部分組成:

          (1)計算機可靠性采集系統:能快速、精確地從集成電路上采集可靠性評價所需要的各種數據,如氧化層中各種電荷密度、器件可靠性的敏感參數、在一定應力下熱載流子的俘獲速率,接觸電阻在熱應力下的變化率、金屬化互連系統的徙動速率等;

          (2)單一失效模式模擬器:把集成電路的結構、工藝參數和承受應力條件輸入模擬器就能給出具有這種失效模式的集成電路的壽命值;

          (3)工藝模擬器:用于輸入工藝條件、輸出工藝結構參數;

          (4)器件模擬器:用于輸入工藝結構參數、輸出器件參數;

          (5)電路模擬器:用于輸入器件參數、輸出電路參數;

          (6)組裝可靠性評價軟件包。

          可靠性評價所用模擬軟件的關鍵是模擬的精度。它取決于可靠性物理模型的正確性、數據采集硬件的精度、可靠性數學模型的精度等。

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