Отказ, виды отказов и дефекты полупроводниковых приборов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отказ. Виды отказов. Дефекты

Вторым фундаментальным понятием теории надежности является понятие отказа.

“Отказ - это событие, после возникновения которого изделие утрачивает способность выполнять заданные функции”. Отказы по [2] классифицируют по следующим признакам:

по степени влияния на работоспособность изделия (полные и неполные);

по физическому характеру непосредственного проявления (катастрофические (внезапные) и параметрические));

по связи с другими отказами (зависимые и независимые);

по времени существования (устойчивые (необратимые), временные (обратимые, устранимые) и перемежающиеся (мерцающие)).

Основным является разделение отказов на внезапные и постепенные.

Внезапным отказом называется такой отказ, который возникает в результате скачкообразного изменения характеристик изделия.

Постепенный отказ - это отказ, возникший в результате постепенного изменения характеристик изделия. Отказ вспомогательных элементов, не влияющих на надежность, называют второстепенной неисправностью. Второстепенные неисправности подразделяют на дефекты и неисправности. Дефектами называются неисправности, которые в момент их обнаружения не приводят к повреждению или нарушению работы и регулировке прибора, но могут в будущем вызвать подобные явления.

Неполадками называются неисправности в работе прибора, не оказывающие влияние на выполнение им основных функций.

Отказы полупроводниковых приборов (ППП) по [3] по их внешним проявлениям разделяются на короткие замыкания, обрывы и изменения параметров. Первые два типа отказов относятся к “катастрофическим”, последний - к “деградационным” отказам.

Основным механизмом коротких замыканий в ППП-структурах является теплоэлектрический пробой, который условно делится на три стадии:

Электрический пробой, т.е. туннельный либо лавинный. Первая стадия считается обратимой;

“Второй пробой” - стадия мощного, резкого увеличения тока через ППП, что приводит к сильному локальному разогреву одного из участков ППП;

Необратимая трансформация ППП за счет сильного локального разогрева, протекающим через ППП электрическим током. Образуется либо проплавленные структуры, либо обрыв внутреннего соединительного проводника, либо образование проводящего канала между разными структурами ППП.

Перечислим основные дефекты, приводящие к короткому замыканию в результате теплоэлектрического пробоя:

плохое (неполное) соединение кристалла с корпусом;

неравномерное распределение тока в структуре. Сравнительно редко короткие замыкания возникают в результате случайного попадания внутрь корпуса ППП токопроводящих частиц. Замыкания электродов структуры с кристаллом возникают иногда из-за провисания внутренних проводников вследствие их избыточной длины.

Основными механизмами обрывов в цепях электродов ППП являются следующие:

механические разрушения соединений кристалла с корпусом или сварных соединений внутренних проводников с другими элементами конструкций при воздействии вибрации, ударов, больших линейных ускорений;

химические и электрохимические разрушения соединений и металлических пленок;

рост интерметаллической базы в местах соединения разных металлов и “расслоение” структуры. Специфические обрывы возникают иногда вследствие значительных напряжений в проводниках прибора, залитых пластмассой. Температурные коэффициенты линейного расширения металла проводника и пластмассы различны, из-за чего при больших изменениях температуры на Т в проводнике возникает достаточное напряжение.

Часто обрывы по этой причине оказываются перемежающимися и проявляются вблизи некоторой критической температуры.

В планарных ППП обрывы могут возникать из-за дефектов алюминиевой металлизации токопроводящих дорожек и контактных площадок.

Основными механизмами отказов при изменении и нестабильности характеристик ППП являются генерация и перемещение электрических зарядов на поверхности кристалла ППП, что ведет к изменению концентрации подвижных носителей рекомбинации. Некоторые причины появления и движения поверхностных зарядов следующие:

появление ионов на поверхности кристалла. Зависит от способа обработки кристалла, влажности и свойств окружающей среды. Общим свойством зарядов этого типа является их предрасположенность к “расползанию” по поверхности, а скорость расползания зависит от значения поверхностного сопротивления и удельной емкости диэлектрического слоя относительно полупроводника. Само поверхностное сопротивление сильно зависит от температуры и влажности и время расползания рядов уменьшается с ростом температуры и влажности

появление заряда, образованного ионами внутри пленки окисла. Как правило, даже при тщательно разработанном техпроцессе, всегда имеются положительные ионы натрия, которые перемещаются при высоких температурах (100-200 о С) и наличии притягивающего электрического поля к границе кремний-окисел. Для защиты от перемещения ионов натрия, в окисле создают тонкую пленку фосфорно-силикатного стекла (SiO 2 *P 2 O 5 ), которая захватывает эти ионы. Кроме ионов натрия внутри пленки окисла могут перемещаться и ионы других элементов (так, ионы золота создают отрицательный заряд). Надо отметить, что при перемещении ионов имеет значение направление поля, поэтому при перемене направления поля ионы двигаются в противоположную сторону, поэтому этот процесс считается обратимым;

появления заряда, образованного избыточными атомами кремния в окисле около границы с кристаллом. Из-за того, что атомы кремния находятся в избытке при механизме образования окисла кремния, образуется положительный заряд, созданный оставшимися атомами кремния. При нормальной температуре этот заряд практически неподвижен, при очень высокой температуре и наличии сильного поля этот заряд перемещается в направлении к внешней поверхности окисла пленки (SiO 2 );

появление заряда, образованного е, находящимися на поверхностных уровнях. При обрыве кристаллической решетки на границе появляются атомы полупроводника с нарушенными электронными связями, т.е. е занимают энергетические (поверхностные) состояния, лежащие внутри запрещенной зоны энергий для данного полупроводника. Из-за этого е с такой энергией не могут проникать в глубь кристалла и остаются только вблизи поверхности. При заполнении и освобождении соответствующих энергетических состояний носители заряда - е и дырками возникают и исчезают поверхностные заряды. Чем дальше от полупроводника локализован поверхностный энергетический уровень, тем больше время его заполнения или освобождения. Этот процесс вызывает, с одной стороны, низкочастотный (НЧ) шум и является причиной нестабильности основных параметров ППП;

появление и образование каналов проводимости вдоль поверхности кристалла. Этот процесс, как правило, приводит к изменению коэффициента усиления в биполярных транзисторах и изменению многих характеристик полевых транзисторов (ток инжекции и “паразитного” перехода снижает эффективность эмиттера дополнительный обратный ток или ток через канал уменьшает усиление и крутизну транзисторов в режиме малых токов).

Эксперименты многих исследователей показали существенные изменения параметров ППП в процессе испытаний, если к переходам ППП приложено большое напряжение в комбинации с высокой температурой окружающей среды. Было доказано, что при таких напряжениях в электрическом поле происходит разделение и группировка положительных и отрицательных ионов на поверхности, дрейф этих ионов по направлению к электродам, имеющим соответствующий знак заряда. Было доказано, что эти процессы являются источником НЧ шума и ответственны за изменение основных параметров ППП во времени.

Обзор неразрушающих методов испытания элементов РЭА

Наиболее частой причиной, по мнению многих специалистов, снижающей качество готовой продукции являются скрытые дефекты и важную роль в проблеме повышения качества и надежности изделий электронной техники (ИТЭ) отводят неразрушающим испытаниям (НРИ) - дефектологии, науке о принципах, методах и средствах обнаружения дефектов.

Для контроля дефектов в ИТЭ разделяют две группы НРИ. Первую группу составляют методы интегральной диагностики, наиболее эффективными из них являются методы, основанные на измерении шумовых характеристик, в том числе электрических и акустических шумов. Вторую группу составляют методы локальной диагностики. В настоящее время для контроля ИЭТ применяются общие и специальные методы НРИ. К общим относятся: визуальный контроль, испытание давлением, акустическая и магнитная дефектоскопия, метод капиллярной дефектоскопии, радиография и метод вихревых токов.

К специфическим методам НРИ относятся: рентгеновские, голографические, тепловые, оптические и электрические методы.

Визуальный контроль наиболее широко распространенный метод НРИ. Используется для исследования поверхностных характеристик (повреждения, посторонние включения, расположение элементов и пр.). Метод прост, требует малых затрат времени и недорог [3].

При испытании давлением дефекты обнаруживаются по проникновению газов или жидкости в полости дефектов или через эти дефекты [3].

Под акустическими испытаниями понимают звуковые и ультразвуковые испытания. Наиболее широко используется ультразвуковая спектроскопия. Метод основан на использовании явлений, связанных с дифракцией света. Метод звуковой спектроскопии используется для формирования изображения путем сканирования эхоимпульсом. Недостатком является то, что объекты контроля сравнимы по размерам с пределами разрешения, из-за чего, как правило, получается некачественное изображение. Также, большинство объектов контроля взаимодействует с ультразвуком сложным образом, из-за чего полученные изображения нуждаются в дополнительной расшифровке. [3], [6]

Метод капиллярной дефектоскопии основан на использовании проникающих красящих или люминесцентных жидкостей, которые светятся под действием ультрафиолетового излучения. [3], [6]

Метод магнитной дефектоскопии основан на явлении искажения магнитного поля ферромагнитного испытуемого образца при наличии в нем дефектов. [3], [6]

Метод радиографии основан на способности рентгеновских лучей ( - лучей) проникать сквозь непрозрачные вещества и “высвечивать” неоднородности и дефекты структуры исследуемого объекта. [3], [6]

Метод вихревых токов применяется для обнаружения аномалий электрической или магнитной проводимости, обусловленные различными механическими дефектами, неоднородностями. Изменениями структуры и неправильной кристаллизации (отклонение в режиме термообработки). Все эти аномалии электропроводности, магнитной проводимости обнаруживаются по изменениям полного сопротивления катушки, питаемой переменным током, электромагнитное поле которой служит источником вихревых токов, наводимых в испытуемом образце. [3], [6]

Голографические методы используются в качестве как общих, так и специфических методов НРИ. Метод базируется на глубоком знании физических процессов, протекающих в исследуемых образцах. Метод очень дорогостоящий, основан на применении компьютерной техники. [3], [7]

При тепловых методах НРИ получают информацию о параметрах и качестве изделий по распределению температуры на их поверхности в виде термограмм, которые позволяют судить о наличии скрытых дефектов. Метод основан на излучении электромагнитной энергии в инфракрасной области спектра любым телом, имеющим температуру, отличную от абсолютного нуля. Тепловые методы подразделяются на пассивные и активные.

Пассивные - это методы, позволяющие определять распределение температуры на поверхности изделия без применения специальных источников тепловой энергии (т.е. осуществляют контроль качества изделия без искажения электрических и тепловых характеристик изделия). При активных методах имеется источник искусственного тепла, который воздействует на проверяемое изделие. Тепловые методы делятся так же на контактные и бесконтактные. В основном применяют контактные методы, к которым относится большинство методов НРИ. В этой области, как то:

методы измерения температуры с помощью термопар ;

люминесцентные методы , основанные на измерении интенсивности свечения некоторых люминофоров под действием ультрафиолетового излучения;

методы измерения температур с помощью температурно-чувствительных красок , изменяющих свой цвет при определенных температурных режимах;

жидкокристаллические методы , основанные на использовании свойств холестерических жидкокристаллических соединений изменять окраску под воздействием температуры и позволяющие определять разность температур до 0.1 о С.

Бесконтактные методы измерения температуры являются более перспективными и универсальными, они не вызывают искажения температурного поля изделий, мало инерционны, обладают высокой разрешающей способностью. Здесь наиболее перспективным является метод, сущность которого состоит в регистрации каким-либо способом инфракрасного излучения, исходящего от исследуемого объекта, без непосредственного механического контакта термоприемника с ним (фотография, приборы разного назначения).[3], [6], [8]

Электрические методы относятся к методам интегральной диагностики. Основаны на возможности оценки и прогнозирования работоспособности и величине характерных электрических параметров. Например, для контроля качества ППП измеряют параметры вольтамперной характеристики.

Резисторы проверяют по уровню третьей гармоники. Тонкопленочные конденсаторы (ТПК) проверяют на пробой диэлектрика, используют параметры, характеризующие надежность внутреннего поля в диэлектрике, рассматривают плотность объемного заряда, накапливаемого при приложении к ТПК постоянного напряжения вблизи микровыступов, т.е. в областях локализации поля.

К электрическим методам также относится метод контроля шумовых характеристик. [3], [4], [6]

Прогнозирование надежности ППП по уровню собственных шумов

Многие исследователи, занимающиеся надежностью РЭА, в ряде своих работ, показали, что собственные шумы ППП, электровакуумных приборов, резисторов, штепсельных разъемов, контактов реле и других элементов РЭА несут информацию об их надежности.

По [3] физической основой метода прогнозирования отказов ППП по их низкочастотным шумам является зависимость уровня шума от наличия дефектов структуры и контактов прибора. Основными источниками шума в электрических цепях и активных элементах по [3], [6], [9], [10] являются:

тепловой шум. Существует в любом проводнике или полупроводнике. Среднеквадратичное значение напряжения теплового шума определяется по формуле Найквиста.

Этот шум вызывается хаотическим тепловым движением носителей заряда;

дробовый шум. Этот шум возникает вследствие флуктуации концентрации носителей заряда за счет случайности процессов генерации и рекомбинации. Чаще всего для его определения пользуются формулой Шоттки и среднеквадратичное значение шумового тока.

Для ППП с p-n переходами учитывают, что ток через переход является суммой прямого и обратного токов, причем каждому их них присущ дробовый шум. Поэтому в транзисторах дробовые шумы возникают в эмиттерном и коллекторном переходах.

Многими исследователями отмечено, что тепловой и дробовый виды шумов прямо не связаны с дефектами приборов и не содержат дополнительной информации о потенциальной надежности исследуемого прибора.

НЧ шумы. В литературе по надежности РЭА нет еще единой терминалогии для данного вида шума. Встречаются названия: фликкер-шум, шумы мерцания, шумы типа 1/f, избыточные шумы и НЧ шумы.

Причиной возникновения этого шума являются различные дефекты в структурах ППП. Для этого вида шума обычно рассматривают спектральную плотность мощности этого шума, которая пропорциональна величине , где коэффициент характеризует вид спектра. Энергетический спектр шума зависит от источника флуктуации, а так же от полосы пропускания цепей, через которые проходит сигнал. Спектральная плотность мощности шума равна усредненной по времени мощности. Приходящейся на единицу полосы частот, и характеризует распределение мощности в спектре частот. [3]. Отмечено, что коэффициент шума сильно зависит от сопротивления источника сигнала, что является недостатком этого параметра.

Многие исследователи отметили, что основные виды отказов ППП и интегральных схем (ИС) прогнозируются по уровню их НЧ шумов, поэтому считается, что чрез характеристики НЧ шума можно получить показатели надежности ППП и ИС. В качестве прогнозирующего характера можно использовать любую из рассматриваемых характеристик: Эффективное напряжение шума, коэффициент шума, спектральную плотность мощности, функцию автокорреляции.

Отмечено, что функция автокорреляции и спектральная плотность мощности любого случайного процесса тесно взаимосвязаны и для получения данных об этом процессе ( где отражаются наиболее полно физическая сущность и параметры эт000ого процесса) достаточно измерить одну из этих характеристик. Но, с точки зрения удобства измерений в производственных условиях предпочтение. отдается спектральной плотности мощности шума.

Методы измерения НЧ шумов

По [3] при измерении электрических шумов применяют следующие методы:

метод сравнения. Исследуемый шум сравнивается с эталонным сигналом или шумом. В этом методе измеряются относительные величины и чаще всего метод применяют при измерении коэффициента шума;

компенсаторный метод;

модуляционный метод.

Оба метода дают высокую чувствительность и точность измерений, но реализуются только на высоких частотах. Применяют эти методы при исследовании тепловых и дробовых шумов;

метод непосредственного измерения НЧ шума. Метод основывается на получении спектральной плотности мощности шума на некоторой частоте через измерение эффективного напряжения шума при помощи высокочувствительного измерителя с известной полосой пропускания. Измеритель в общем случае должен содержать: линейный полосовой фильтр (с достаточно узкой полосой пропускания f), квадратичный детектор, интегратор, регистрирующее устройство. В настоящее время наиболее целесообразным считается импульсный режим измерения НЧ шума. Это связано с трудностью установления стационарного теплового режима ППП и ИС, так как доказано, что температура оказывает сильное влияние на основные электрические параметры ППП и ИС.

Рассмотрим по [3] практические схемы, реализующие измерение НЧ шумов ППП.

Структурная схема установки для измерения шумов транзисторов по [3] приведена на рис. 1. Путем измерения питающих напряжений имеем возможность менять режим работы транзистора в широких пределах. При известных режимах [3] (ток эмиттера I э > 1 mA , напряжение коллектора U к > 3 В), имеем возможность выявления постепенных отказов за счет изменения состояния поверхности, так и внезапных оотказов за счет объемных дефектов и дефектов контактных соединений. Для маломощных транзисторов используют режим измерения коэффициента шума, указанный техническими условиями. Описание работы подробно дается [3]. Измеряют эффективное напряжение шума, приведенное к базе транзистора U ш.б. через коэффициент усиления измерительной установки по напряжению К.

Для более точного измерения спектральной плотности шума измеряют ширину пропускания фильтра, которая определяет ошибку измерения.

Надо отметить, что для стабильности К и.т применяется отрицательная обратная связь по току. В общем виде принципиальная схема включения исследуемого транзистора по [3].

Малошумящий усилитель - наиболее важная часть установки, определяющей уровень собственных шумов. В настоящее время разработано достаточное количество схем малошумящих усилителей.

Чтобы исключить заметный разброс значений дифференциального сопротивления при заданном токе соблюдают условия R н<< R диф , тогда напряжение шума исследуемого диода определяется по формуле.

Следует отметить, что погрешность измерения шума диода в сильной степени зависят от нестабильности коэффициента К п.у ., поэтому его необходимо периодически проверять. Также следует отметить, что уровень шумов диодов значительно меньше транзисторных.

Некоторые особенности имеются при измерении шума мощных транзисторов. Как правило, здесь используется импульсный метод измерения. Схема включения мощных транзисторов по [3] приведена на рис.4. Описание схемы и процедуры измерения шума подробно дается в [3]

Разработаны измерители шумов ИС, в частности, структурная схема одного из них по [3] имеет следующий вид.(рис.5)

отказ дефект неполадка полупроводниковый прибор

Автоматизация измерения НЧ шумов полупроводниковых приборов и интегральных схем

Исследования НЧ шумов различных элементов РЭА проводится давно. Но с каждым годом разрабатываются все новые элементы РЭА. Меняется подчас элементная база РЭА, создаются новые технологии производства и контроля РЭА. В настоящее время считается целесообразным автоматизировать процесс измерения и контроля параметров элементов РЭА для отбраковки непригодных элементов и сокращения времени контроля.

По [3] предлагается в целях повышения качества выпускаемой продукции предприятий электронной промышленности разработать и внедрить автоматические системы управления технологическим процессом (АСУТП). В качестве одной из подсистем АСУТП использовать контроль технологического процесса производства ППП (диоды, транзисторы, тиристоры, интегральные сборки и т. д.) по уровню НЧ шума. Считается, что этот метод универсален именно для ППП, т.к. все они состоят из различных структур с одним и более p-n переходами. В настоящее время широкое внедрение и распространение получили АСУТП с применением компьютерных технологий и компьютерной техники.

Предлагается следующая функциональная схема для одноразового измерения НЧ уровня шумов ППП.

От звукового генератора подается напряжение U г определенной частоты (от 20 Гц до 1 кГц), которое коммутируется через переключающий блок на одну из схем включения образцов. Для каждого подвида ППП (диод, транзистор, тиристор, интегральная сборка) своя схема включения. Переходной блок определяет от какой из схем включения идет сигнал и на выходе выдает напряжение U х , которое проходит через узкополосный селективный усилитель, на выходе которого получаем напряжение шума U ш на частоте, заданной звуковым генератором. Величина напряжения шума фиксируется на табло цифрового вольтметра, который связан с компьютером шиной данных. В компьютере заложены данные по среднему значению шума G ср и дисперсии D на каждый тип ППП, проходящий контроль. При этом учитывается, что G ср определяется по (22) и уровень отбраковки потенциально ненадежных ППП определяется статистической обработкой данных.

Исполнительное устройство работает от команд компьютера. При обнаружении потенциально ненадежного ППП, в процессе контроля, компьютер дает команду на “изъятие” исполнительному устройству элемента из выборочной партии. На компьютер так же поступает информация от переключающего блока, которая автоматически (программой в компьютере) устанавливает данные для контроля каждого из подвидов ППП. Малошумящий источник питания необходим для наиболее важных узлов: схемы включения образцов и узкополосного селективного фильтра. От качества напряжения малошумящего источника питания зависит качество полученных результатов измерения и в конечном итоге качество контроля ППП.

Техническая диагностика.

Техническая диагностика имеет целью получение и анализ информации, позволяющей оценить техническое состояние машины в целом или ее элементов без разборки, а также составить прогноз возможного появления тех или иных неисправностей и времени возникновения отказов. Она позволяет своевременно принять меры по устранению выявленных неисправностей и выполняется опытными слесарями-ремонтниками или механиками в процессе плановых профилактических осмотров, а также перед ремонтами с целью установления подлежащих ликвидации дефектов.

Методами технической диагностики являются:

1. Субъективный метод определения повреждений по возникновению стуков и посторонних шумов, повышенному нагреву отдельных частей машины, увеличению вибраций, появлению запахов гари, масла, газа, наличию стружки в масле, а также визуально.

2. Диагностика с помощью различных приборов и стендов, повышающая степень объективности оценки истинной картины дефектов машины. Она производится с помощью стендов диагностики отдельных узлов, механизмов, систем и машины в целом, приборов для контроля подшипников, дистанционного контроля температуры, термодиагностических приборов, стетоскопов и других приборов для обнаружения шумов (акустическая диагностика), приборов виброметрического контроля и других приспособлений.

3. Термическая индикация неисправностей для регистрации изменения температуры с помощью температурных датчиков, термоиндикаторных красок, изменяющих в этом случае свой цвет.

4. Ароматическая диагностика по появлению запаха при критическом износе детали с помощью ампулы с пахучими веществами, заделываемой в данную деталь.

5. Визуальный метод с использованием световодов для обнаружения дефектов в труднодоступных местах.

6. Метод анализа качества (отклонения размеров, формы и расположения поверхностей) изделия, производимого на данном оборудовании.

Методами прогнозирования отказов оборудования с помощью технической диагностики являются:

1. Статистический метод при котором опыт эксплуатации данного или аналогичного оборудования позволяет выявить зависимость числа отказов от времени наработки с целью определения момента в работе оборудования, когда необходима профилактика или ремонт.

2. Метод индивидуальных измерений, позволяющий судить о техническом состоянии машины или ее элементов на основании диагностических симптомов (сигналов), полученных с помощью диагностической аппаратуры без предварительной разборки машины.

3. Метод граничных испытаний, основанный на получении прогнозирующих параметров машины или ее элементов в условиях утяжеленных режимов работы, что позволяет в короткое время установить закономерность возникновения неисправностей и обнаружить слабые элементы, которые в процессе эксплуатации машины могут вызвать внезапные отказы.

Размещено на Allbest.ru