Неразрушающие испытания

Готовые полупроводниковые и электронно-оптические приборы и интегральные микросхемы, подвергнутые воздействию, основанному на разрушающих методах контроля, не подлежат поставке потребителю. Поэтому широкое распространение получили неразрушающие методы контроля и испытаний, применяемые для контроля изделий в процессе их разработки, изготовления и применения. Наибольшее распространение получили следующие методы неразрушающих испытаний.

Оптический метод - основан на эффектах взаимодействия различных спектров излучения (инфракрасного, ультрафиолетового, видимого) с исследуемым объектом При этом используются эффекты поляризации, поглощения, интерференции и рассеяния света на неоднородностях. Данный метод обладает высокой чувствительностью, что позволяет отследить профиль концентрации в р—n-переходах, неоднородности структуры кристалла, распределение загрязнений по поверхности.

Радиационный метод - основан на взаимодействии ионизирующих излучений и частиц высоких энергий с контролируемым объектом и базируется на «просвечивании» исследуемого объекта с регистрацией теневого изображения на фотопленке, флуоресцирующем или телевизионном экране. С его помощью можно проводить физический анализ схемы в корпусе, идентификацию загрязнений и физико-химический состав слоев, определять участки электромиграции и образования интерметаллических соединений.

Тепловизионный метод - основан на регистрации тепловых полей или температуры контролируемого объекта, при этом используются термочувствительные краски, термобумага, жидкие кристаллы, наносимые на поверхность исследуемого изделия, термопары, специальные термометры, имеющие тепловой контакт с объектами измерения, тепловизоры. Кроме того, используются различные термозависимые параметры приборов, например прямое падение напряжения на р—n-переходе или обратный ток.

Метод растровой электронной микроскопии - основан на регистрации в амплитудном, яркостном или цветовом виде на экране электронно-лучевой трубки результатов взаимодействия сфокусированного первичного электронного луча в режиме сканирования с веществом исследуемого объекта или со связанными с ним электромагнитными полями. С помощью данного метода обнаруживают участки выгорания на дорожках алюминия, нарушение окисных слоев, царапины, трещины.

Электрофизические методы - основаны на исследовании закономерностей изменений электрофизических характеристик и параметров приборов и интегральных микросхем, например ВАХ р—n-переходов, их характерных участков, определяющих надежностные характеристики приборов в целом.

К электрофизическим испытаниям и методам контроля можно отнести:

- контроль качества приборов по шумовым характеристикам. Так, наличие дефектных токопроводящих пленок при большом токе (j = 10⁷ А/см²) обнаруживается по увеличению на несколько порядков уровня токовых шумов, это явление может использоваться для отбраковки, в том числе по качеству контактов;

- контроль полупроводниковых структур по рекомбинационному излучению. Регистрируя рекомбинационное излучение р—n перехода при прямом смещении с помощью фотоэлектронного умножителя, можно выявить места локализации тока по повышенному уровню интенсивности излучения;

- контроль тепловых параметров с использованием переходных тепловых характеристик. По уровню перегрева полупроводниковой структуры, работающей в активном режиме, можно определить качество напайки кристалла на кристаллодержатель. Для регистрации переходных тепловых характеристик и определения температуры перегрева применяются инфракрасные тепловизоры. По результатам измерения температуры перегрева строятся гистограммы распределения полупроводниковых структур по уровню перегрева. Удаляя из полученного распределения структуры со значительным перегревом по сравнению со средним уровнем, можно существенно повысить надежность приборов, изготовленных из проверенных структур;

- применение жидких кристаллов для контроля приборов. При контроле качества структур и диагностике их дефектов, воздействия тепловых и электрических полей рассматриваются как возмущающие факторы, переводящие жидкие кристаллы в изотропное состояние. Например, термооптический эффект, сопровождающийся изменением цвета и светопропускания кристалла, вызывается тепловыми нагрузками; электрические поля приводят к возникновению эффекта рассеяния света;

- ускоренные испытания.

Ускоренные испытания

На практике для подтверждения требуемой надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем часто требуются продолжительные испытания, что экономически не выгодно, так как они требуют значительных затрат оборудования, приборов и энергоресурсов. Например, если интенсивность отказов составляют , а количество отказавших приборов исходя из соображения достоверности должно быть , то длительность испытаний или объём выборки можно определить из следующих соображений.

Поскольку , то для наших условий шт. час.

Если выборка шт., то время испытаний будет составлять 30000 часов, т.е.

3 года. При выборке шт. время испытаний будет составлять ~ 4 месяца. Очевидно, что оба варианта экономически невыгодны.

В таких случаях прибегают к ускоренным испытаниям, в процессе которых создаются экстремальные условия эксплуатации, способствующие «старению» изделия. Ускоренные испытания могут выявить только определенные типы отказов. И прогнозирование на их основе надежности изделия в других условиях эксплуатации требует знания всех типов возможных отказов и проходящих при этом физических процессов.

Под ускоренными испытаниями (УИ) понимаются такие испытания, при которых уровень воздействий нагрузок превышает уровень нагрузок обычных испытаний в целях сокращения времени, необходимого для быстрого выявления “слабых мест” изделий.

УИ рассматриваются как разновидность физического моделирования, позволяющего оценить надежность приборов при сжатом масштабе времени. В качестве ускоряющих факторов, способствующих выявлению потенциально слабых, дефектных мест в приборах, используются следующие повышенные нагрузки: тепловое воздействие, механические воздействия в виде линейных ускорений, ударов и вибрационных нагрузок, влажность, давление окружающей среды, электрическая нагрузка и т.д.

Выбор ускоряющих факторов и их интенсивности в каждом конкретном случае должен базироваться на следующих принципах:

1. Определение ускоряющих факторов должно основываться на знании закономерностей воздействия выбранных видов нагрузки на скрытые дефекты в приборах (желательно знать степень ускорения и быть уверенным в том, что интенсивность воздействия стабильна в заданных условиях и обеспечивает тем самым воспроизводимость результатов).

2. При воздействии ускоряющих факторов физические процессы, возбуждаемые ими, должны быть теми же, что и при обычной эксплуатации, т.е. в ускоренных и обычных условиях типы отказов должны быть одни и те же. Это означает, что энергия активации механизмов отказов, стимулируемых ускоряющими и обычными факторами, одинакова.

3. Условия проведения ускоряющих факторов должны быть такими, чтобы после их окончания была возможность проанализировать отказавшие изделия для установления причин отказов.

Некоторые виды ускоряющих факторов и дефекты, выявляемые ими, приведены в таблице 4.

Таблица 4

Дефекты	Ускоряющие факторы
	Линейные нагрузки	Удар	Вибрация	Повышенное давление	Влага	Термоциклы	Пониженная температура	Повышенная температура	Электричес­кий режим
Дефекты корпуса	+	+	+	+	+	+	-	-	+
Наличие посторонних частиц	+	+	+	-	-	-	-	-	-
Несогласованность спаев	-	-	-	-	-	+	+	+	-
Нарушение герметизации	-	+	+	+	+	+	+	+	-
Наличие посторонних газов	-	-	-	-	-	-	-	-	+
Несовершенство перехода	-	-	-	-	-	+	+	+	+
Несовершенство защиты р-п-перехода	-	-	-	-	+	+	+	+	+
Микротрещины	+	+	+	-	+	+	+	+	+

Примечание: (+) — возможность выявления указанного дефекта.

Одним из методов УИ является проведение испытаний под последовательно возрастающей нагрузкой, т.е. нагрузку увеличивают ступенчато через равные промежутки времени. При этом нагрузка ограничивается появлением новых механизмов отказа.

УИ под последовательно возрастающей нагрузкой основываются на двух допущениях:

1. Деградация параметров имеет накопительный характер:

где

D - общее разрушение;

d_j — разрушение параметров j-го уровня;

Rj{S,T) - скорость разрушения;

t_j- продолжительность испытаний;

S — электрическая нагрузка (ток, мощность и др. факторы);

Т- в рассматриваемом разделе - температура;

j— уровень.

2. Скорости деградации и разрушения при наличии нескольких механизмов отказа должны быть независимы.

Наибольший эффект дают ускоренные испытания в электрическом режиме при повышенных температурах. При этом в ряде случаев выбирают повышенные температуры в сочетании с обратным напряжением (смещением). Обычно при выборе режима таких испытаний исходят из закона С.А. Аррениуса, который был введен им для описания деградационных процессов.

Например, для интенсивности отказов он может быть записан в следующей форме:

где E_а — энергия активации процесса деградации;

k - постоянная Больцмана,

К_λ - коэффициент, характеризующий конструкцию прибора и его технологический процесс изготовления.

Данное выражение не может быть непосредственно использовано для вычислений показателей надежности, т.к. коэффициенты К_λ, как правило, не известны. Однако построив в полулогарифмическом масштабе зависимость

можно по ее наклону определить энергию активации деградационных процессов E_а, вызывающих отказы, а по форме кривой судить о стабильности механизма, ответственного за данный вид отказов.

Действительно, логарифмируя (37), получаем , откуда следует, что тангенс угла наклона прямолинейной зависимости от является величиной , а точка пересечения этой зависимости с осью ординат определяет величину , то есть и само значение .

Возможные варианты зависимостей интенсивности отказов приборов и энергии активации дефектов от уровня тепловой и электрической нагрузки приведены на рис. 9.

Рис.9. Зависимости интенсивности отказов приборов и энергии активации дефектов

от уровня тепловой и электрической нагрузок:

a - в диапазоне нагрузки действует один вид деградации с энергией активации E_а;

б - в диапазоне нагрузки - два вида деградации с разными энергиями активации в разных температурных интервалах;

в - в диапазоне нагрузки - три вида деградации;

T_к - критическая температура активации процессов деградации.

Для проведения УИ выбирается диапазон нагрузки с постоянной энергией активации дефектов. В приведенных примерах приемлемые диапазоны нагрузок лежат в пределах заштрихованной части рисунков. Выбор данных уровней нагрузки связан с тем, что за отказы, возникающие в приборах, ответственны дефекты, активируемые нагрузкой, близкой к нагрузке, испытываемой приборами в реальной эксплуатации. При повышении нагрузки активируются дефекты, которые в обычных условиях остаются нейтральными и не влияют на надежность приборов.

Условия УИ для конкретного вида приборов формируются на большом статистическом материале, получаемом при длительных испытаниях в широком диапазоне температур. По результатам испытаний строится семейство характеристик зависимости средней наработки до отказа (что идентично времени испытаний) от температуры при соответствующем электрическом смещении.

Пример такого семейства характеристик УИ при повышенных температурах с приложением обратного смещения показан на рис. 10.

Рис.10. Семейство характеристик УИ при повышенных температурах с приложением

обратного смещения

Исходя из предположения, что в пределах диапазона температур +125...+300 °С действуют одни и те же механизмы отказов, делается вывод о том, что испытания при +300 °С в течение 10 ч (точка А¹) идентичны по своему воздействию испытаниям в течение 10⁵ ч при температуре +125 °С (точка В'). Беря отношение среднего времени наработки до отказа при +125 °С к среднему времени наработки при +300 °С, получим коэффициент ускорения ае для данного вида испытаний, он равен 10⁴. Во столько раз сокращается время испытаний при выборе данного конкретного режима ускорения.

С увеличением продолжительности ускоренных испытаний при +300 °С характеристика смещается вправо, в сторону больших значений времени испытаний (УИ при +300 °С в течение 100 ч будут эквивалентны испытаниям при +125 °С в течении 130 лет (точки С', D')). Смещение характеристик в сторону больших значений времени испытаний свидетельствует о значительном повышении надежности приборов относительно первоначального уровня (точки А', В').

Проблемы ускоренных испытаний в форсированных режимах:

1. Определение воздействующих факторов, при которых в течение времени форсирования сохраняется тот же характер и механизм деградации параметров, что и при нормальных видах испытаний.

2. Нахождение аналитических выражений для определения коэффициентов форсирования режимов испытаний приборов, что чаще всего достигается путем воздействия повышенной температуры окружающей среды, увеличения электрической мощности или комбинации обоих факторов.

При воздействии температуры окружающей среды согласно теории Аррениуса, деградационному процессу, т.е. химическому взаимодействию, предшествуют более быстрые процессы активации и установления статистического равновесия. При этих условиях будет справедливым уравнение Аррениуса:

где R(T) - зависимость константы скорости химической реакции от абсолютной температуры,

- характеризует долю активных процессов при температуре Т, или вероятность того, что частицы имеют энергию, достаточную для вступления в реакцию;

А - постоянная деградации;

Е_а - постоянная (энергия активации), определяемая для каждого процесса его особенностями.

Коэффициент ускорения (форсирования) протекания процесса определяется из уравнения Аррениуса:

æ =

где t_н и t_уск - время появления отказа при нормальной и повышенной температурах испытаний соответственно. Эта формула выведена исходя из следующих физических соображений.

Скорость процессов деградации на основе формул (13) и (39) можно представить как

Считаем, что энергия активации Е_а, выборка N₀ и число дефектных приборов при УИ и испытаниях в нормальных условиях (НУ) одинаковы, а отличие заключается во времени проведения испытаний ( при ускоренных испытаниях и при испытаниях в НУ) и температуре испытаний ( T_уск при УИ и T_н при НУ).

Тогда на основе формулы (41) можно написать:

Из (42) и (43) следует, что

Преобразовав первое равенство выражения (44), получаем формулу для ускорения процесса испытания (40).

Если Т_н = 25 °С = 298 К, а Т_уск = 370 °С = 643 К, то χ= ехр(20,89 E_а).

Расчет показывает, что время, требуемое для ускорения процесса при E_а = 0,1 эВ, не может быть уменьшено более чем в 10 раз. Если же

При увеличении T_уск коэффициент форсирования χ повышается, причем T_уск можно повышать только до момента возникновения следующего механизма деградации.

Модель Аррениуса приемлема, когда скорость деградации параметров не зависит от электрической нагрузки или воздействие электрической нагрузки эквивалентно термической. Если для проведения ускорен ных испытаний используются другие виды нагрузки, то за основу испытаний берут модель Эйринга.

Например:

где Р — электрическая нагрузка, а α,β,γ - коэффициенты, учитывающие функции приложенной нагрузки. Коэффициент форсирования протекания процесса, основанного на модели Эйринга, определяется как

æ =

Однако методика экстраполяции ускоренных испытаний с помощью модели Эйринга сложна и не нашла широкого практического применения.