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第11章半导体器件使用的可靠性.doc

发布:2017-03-23约2.43万字共19页下载文档
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第十一章 半导体器件使用的可靠性 1*半导体器件使用中的可靠性问题 一.正确使用半导体器件的重要性 半导体器件失效原因,不仅来自于器件本身的固有可靠性因素,而且还取决于用户所选择电路的工作条件/实装条件/环境极其它各种使用条件等。使用不当是造成器件失效的主要原因之一,并且常常与违反技术标准文件的要求有关。 半导体器件可靠性是一个综合指标,它取决于许多相互联系因素的组合。它们的可靠性等级,总的来说是在设计阶段形成,在制造阶段得到保障,在使用阶段得到保持的。因此半导体器件的可靠性不仅取决于固有可靠性,而且与使用正确与否密切相关。固有可靠性包含设计可靠性和制造可靠性,它是可靠性的基础,但使用可靠性同样很重要,尤其是在器件固有可靠性得到较大提高的情况下,使用不当的问题更为突出。例如美国“罗姆航空研究中心”公布的两批失效分析数据,可以清楚地说明这一问题,情况如表11-1和表11-2所示。其中,表11-1的“电学超应力”一项占56.8%,表11-2的电学和机械超应力占23%,排除故障中损坏占13%(两项共计36%)。它们均属于使用不当造成,也就是说属于使用的可靠性问题。使用可靠性取决于人为因素和使用与维护的程序及设备等。由于目前出现在使用可靠性方面的问题愈来愈多,因此使用可靠性的研究也日益受到重视,并且发展成为一门学科----人为工程。把人为工程的原理应用于系统设计/研制/制造/试验/维修和系统或辅助系统的操作上,可以最大限度地减少人为差错造成的可靠性损失。 表11-1集成电路现场失效(1967—1971) 电学超应力 56.8% 复查良好 11.8% 表面问题 11.8% 金属化问题 5.9% 芯片问题 7.8% 引线和键合问题 5.9% 表11-2 导弹制导计算机集成电路失效分析(1967—1969) 键合和引线 5.1% 芯片 4.8% 金属化 13.1% 表面 8.1% 封装 13.1% 电学和机械的超应力 23% 排除故障中损坏 13% 复查良好 19.8% 当前半导体器件的可靠性已经有了明显的提高(尤其是“七专”器件),因此使用方面存在的问题逐渐在上升,有的已经上升为主要矛盾之一(晶体管和小规模集成电路比较突出)。 为了提高半导体器件的使用可靠性,本章将介绍一些在系统设计/器件装配和保管等方面应予注意的事项。 二.半导体器件的选择与控制 1.半导体器件的选择与控制是多学科的任务。它需要器件工程师/失效分析工程师/可靠性工程师和设计工程师门的共同努力完成。 器件控制活动占器件选择/应用和采购等全部工作的一大部分。器件选择与控制的关键是: (1)签定合同后30天内承包商与采购单位之间的会晤。 (2)规定规范格式,按照合同选择器件。 (3)编制基本的器件优选目录。尽量减少器件种类。鼓励使用现有的优选器件。 (4)确定关键产品(执行关键功能) (5)估计器件将会受到的应力。确定应用中需要的可靠性水平。 (6)选择适当的降额系数。 半导体器件的工作条件/实装条件/环境条件等使用条件的选择不当是造成失效的主要原因之一。为了使半导体器件能在高可靠要求的条件下工作,必须合理地选择最大额定值/降额因子和封装形式等。 2.最大额定值和降额因子的选取。半导体器件的最大额定值通常是指“绝对最大额定值”。最大额定值表中所规定的数值,无论在怎样恶劣的条件下即使瞬间都不允许超过这个临界值。当出现瞬时超过最大额定值时,器件性能就会立即劣化或者击穿,即使以后能暂时工作其寿命也将大大缩短。因此设计电路时,应充分考虑到工作时即便外界条件发生很大变化,也不允许超过器件的直流最大额定值而且还应考虑器件的安全工作区/负载变化/峰值电压和电流等。 应用降额法可以使器件而且最终会使设备的可靠性得到进一步改善。降额可以定义为:为提高可靠性,将加给器件的电/热和机械应力限制到低于它们规定或经证明的能力水平。降额可以通过降低应力来实现,也可以靠提高器件的强度来达到。选择强度较高的器件通常是最实际的方法。 最大限度地减轻半导体器件的工作状态,降低芯片温度是提高半导体器件可靠性的重要措施,它对设计师未预见到的系统异常现象提供附加保护。因此,可靠性设计中对降额因子的选取是一个十分重要的问题。降额因子因器件的种类不同而略有差异,大体包括电/环境/机械三类: (1)电压/电流/功率/负载等电应力方面的降额措施。 (2)温度/湿度等环境应力方面的降额措施。
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