Физико-химические причины отказов электронно-оптических приборов

Электронно-оптические приборы являются приборами широких функциональных возможностей. Наибольшая номенклатура этих приборов – источников и приёмников излучения, включает в себя в качестве основного элемента один или несколько полупроводниковых кристаллов с одним, несколькими или множеством p-n переходов (одноэлементные, многоэлементные, субматричные или матричные фотодиоды, фототранзисторы, излучающие диоды и лазерные диоды), или без p-n переходов (фоторезисторы).

Эти кристаллы являются активными элементами, воспринимающими или излучающими сигнал, часто большой по величине, связанный с протеканием через кристалл больших токов. Поэтому главные причины ненадёжности приборов заложены именно в полупроводниковых кристаллах.

В качестве одной из важных причин отказа кристаллов является рост дислокаций на металлургической границе n⁺-p и p⁺-n переходов, т.е. на границе между сильно легированной областью n⁺ или p⁺- типа и слабо легированной p или n типа. Этот процесс носит постепенный характер, протекающий при наработках и хранении прибора и происходит за счёт постепенного уменьшения внутренних напряжений сильнолегированной области. Эти напряжения, вызывая рост дислокаций, гаснут на них. Сами дислокации являются областями с повышенной электропроводностью, которые ухудшают характеристики n⁺-p или p⁺-n переходов или вообще закорачивают их. Энергия активации этих процессов тем меньше, чем сильнее легированы n⁺ и p⁺-области.

Другим из наиболее известных механизмов деградационных отказов, выявленных ещё в первые годы эксплуатации германиевых диодов и плоскостных транзисторов, а впоследствии и аналогичных электронно-оптических приборов, являются физические процессы на поверхности кристалла в месте выхода на поверхность электроннодырочного перехода. Причиной дрейфа характеристик является наличие на поверхности ионов загрязнений. Защита перехода являлась весьма серьёзной проблемой, так как используемые в этих целях лаки, смолы и прочие вещества сами зачастую являлись источниками таких загрязнений. Появление планарной технологии и защита переходов плёнкой двуокиси кремния позволили в значительной степени решить эту проблему, однако при этом следует помнить, что эти плёнки проницаемы для ионов натрия, которые появляются при несоблюдении правил производственной гигиены. Это может привести к созданию скрытых дефектов.

При достаточно высоком уровне технологических процессов надёжность диодов и транзисторов оказывается достаточно высокой и она определяется не столько дрейфом характеристик или пробоем p-n переходов, сколько отказами, связанными с нарушениями металлизации межсоединений, контактов металл-полупроводник и проволочных выводов, соединяющих контактные площадки на кристалле с выводами корпуса.

Одним из простейших механизмов разрушения токоведущих дорожек является обрыв на «ступеньках» двуокиси кремния, т.е. в зоне так называемых межуровневых переходов. При напылении металлической плёнки на тонкую ступеньку, в месте перегиба толщина плёнки оказывается несколько меньше, чем на плоской части. Кроме того изменение температуры кристалла в ходе эксплуатации приводит к появлению напряжений в металлической плёнке, вызываемых различием температурных коэффициентов расширения (ТКР) кремния, двуокиси кремния и металла (рис.1а).

Поэтому при вскрытии «окон» в плёнке двуокиси кремния ищут возможность избежать отвесных стенок, напылять металл на которые было бы крайне трудно, а используют процессы, обеспечивающие пологий, плавный переход от поверхности двуокиси кремния к поверхности кремния (рис.1б).

Другой весьма серьёзной причиной ненадёжности токоведущих дорожек межсоединений на кристалле являются электромиграция, электродиффузия или электроперенос.

Эффект этот был вначале обнаружен на мощных ВЧ и СВЧ транзисторах. Причиной развития процессов электромиграции является повышенная плотность тока. Смысл этого процесса состоит в следующем.

Металлическая плёнка не представляет собой сплошной кристаллической структуры, как это имеет место в монокристаллических слоях полупроводниковых материалов. При напылении металлической плёнки кристаллизация её на поверхности полупроводникового кристалла или диэлектрической плёнки двуокиси кремния начинается вокруг многочисленных центров кристаллизации. В результате металлическая плёнка представляет собой мелкокристаллическую структуру.

На границах зёрен, образующих такую структуру, атомы металла связанны с кристаллической решёткой менее прочно. Энергия теплового движения ослабляет эти связи в ещё большей степени.

При протекании тока по токоведущей дорожке поток электронов отрывает такие «расшатавшиеся» атомы от кристаллической решётки и превращает их таким образом в ионы. На эти ионы будут воздействовать две силы: разности потенциалов, приложенной к токоведущей дорожке (ТВД) и поля потока электронов. Эта вторая сила является преобладающей и увлекает положительные ионы металла вслед за потоком электронов. Часто здесь говорят о воздействии на ионы металла «электронного ветра».

Там, где граница зёрен расположена вдоль линий тока, создаются наиболее благоприятные условия для захвата и переноса атомов металла (рис.2).

В результате именно на этих границах начинается образование пустот, т.е. разрушение ТВД. Этот процесс будет развиваться с нарастающей скоростью до полного разрыва ТВД.

В то же время уносимые «электронным ветром» атомы металла будут высаживаться где-то на другом конце полоски, образуя выросты в виде бугорков или «усов».

С одной стороны, отказ прибора может быть вызван разрушением ТВД, а с другой стороны, выросты на другом конце ТВД могут привести к отказу за счёт короткого замыкания с соседней токоведущей дорожкой.

Этот эффект не имел значения в начальный период развития электронно-оптических приборов, когда опасные плотности тока 10⁵А/см² не достигались. С появлением многоэлементных и интегральных приборов, и ростом степени интеграции на одном кристалле, уменьшались их размеры, выходя на уровень 10 мкм. Если учесть, что повышение степени интеграции сопровождалось одновременно работами по повышения быстродействия, что схемы должны быть одновременно и сверхскоростными, то плотности рабочих токов в ТВД должны при этом значительно возрастать: чем короче время, за которое мы должны перезарядить ту или иную ёмкость, тем за более короткое время мы должны будем ввести или вывести заряд. Значит, величина тока будет возрастать, а сечение ТВД будет уменьшаться. Плотность тока будет возрастать, будет возрастать соответственно и интенсивность развития процессов электропереноса. В результате этого может наступить «предельное состояние» или износ.

Одним из способов уменьшения влияния этого эффекта может являться закрепление границ зёрен с помощью легирования алюминия медью. Используются также и подслои из тугоплавких металлов (титан, вольфрам). В качестве же основного материала ТВД используется главным образом алюминий, что определяется в первую очередь низким значением его удельного сопротивления.

Из зарубежных публикаций видно, что уменьшение ширины ТВД с 5мкм до 1 мкм уменьшает вдвое наработку на отказ. В результате действия эффекта электропереноса и эффекта обрывов ТВД на ступеньке двуокиси кремния становятся возможными непредсказуемые отказы схемы даже при умеренных плотностях тока ((1-5)*10⁵ А/см²). Все эти проблемы, связанные с надёжностью, очень серьёзны.

Средняя наработка на отказ по причине обрыва металлизации, вызванного электродиффузией, является функцией температуры и плотности тока:

, (1)

где C – некоторый постоянный коэффициент, зависящий от конструктивно-технологических особенностей, n – коэффициент ускорения, который в ряде случаев может быть принят равным единице, E_a – энергия активации атомов данного металла на границах зёрен, J – плотность тока, Т – температура абсолютная. Величина E_a зависит от степени легирования основного материала теми или иными присадками.

В практических случаях наработки средняя наработка на отказ, т.е. до обрыва металлизации из-за явлений электромиграции определяется формулой:

, (2)

где A и B – постоянные, характеризующие конструкцию и материал металлизации, определяемые исходя из экспериментов. Типичные значения постоянных n и E_a при электромиграции составляют: n=2.5 и E_a=0.558 эВ.

Можно считать, что при достаточно малых плотностях тока и относительно невысоких температурах отказы из-за электромиграции практически невероятны. Для алюминиевой металлизации можно считать безопасной плотность тока (1-2)*10⁵ А/см² при температурах металлизации до 120 ˚С. Однако даже локальное превышение плотности тока, например из-за царапины в металлизации, местного утончения или из-за раковины может сделать отказ по металлизации наиболее вероятным. В тех случаях, когда плотность тока в металлизации выбирается достаточно низкой, с запасом, когда при производстве проводится контроль за отсутствием царапин и других повреждений металлизации, может быть гарантирована необходимая долговечность приборов.

В то же время надёжность ТВД – это только часть проблемы надёжности межсоединений. Вторая часть этой проблемы – это надёжность контактов «металл-полупроводник»: контакт металла к n⁺ и p⁺-областям полупроводника.

Часто отказы могут быть обусловлены образованием твёрдого раствора кремния в алюминии и переносом растворённых положительных ионов кремния вдоль алюминиевой ТВД. В кремнии у поверхности образуются пустоты, которые могут в свою очередь заполняться алюминием. Отказ может наступить или в результате потери контакта ТВД с полупроводником, или же в результате проникновения алюминиевых выростов всё глубже и глубже в объём полупроводника до контакта со следующим нижележащим слоем.

Следующим вопросом, подлежащим рассмотрению, является вопрос термокомпрессионных соединений. Одним из наиболее распространённых способов осуществления контактов между алюминиевыми контактными площадками на кристалле и выводами корпуса является термокомпрессия тонкой золотой проволочки к контактной площадке и к выводу.

В контактах разнородных металлов наблюдается взаимная диффузия, которая ведёт к формированию интерметаллических соединений, что является причиной механической хрупкости контактов.

Само по себе образование интерметаллических соединений ещё не приводит непосредственно к отказу, но взаимная диффузия сопровождается образованием в области контакта пустот и трещин из-за различных скоростей диффузии металлов. Золото является в данном случае быстрым диффузантом и обладает к тому же большей способностью к объёмной и поверхностной самодиффузии. В силу этого фронт интерметаллических масс движется быстрее в сторону золота, чем в сторону алюминия, что приводит к образованию пустот и трещин преимущественно со стороны золота. Возникают при этом и существенные механические напряжения, вызванные несовпадением параметров кристаллических решёток различных фаз интерметаллических соединений и металлов.

Этот эффект усиливается различием температурных коэффициентов линейного расширения. В сочетании с повышенной хрупкостью некоторых фаз интерметаллических соединений это может привести к снижению прочности термокомпрессионных соединений. При воздействии механических или термических нагрузок может произойти обрыв.

В числе других причин отказов можно назвать коррозию алюминиевых ТВД и диффузию ионов метла в изолирующий окисел.

Отказы, вызванные диффузией ионов металла в изолирующий окисел, носят характер деградационных или постепенных отказов. Скорость развития этих процессов существенно зависит от температуры и напряжённости электрического поля в плёнке окисла.

Одним из видов отказов, связанных с диффузией ионов металлов в слое изолирующего окисла, может являться увеличение темнового тока и уменьшение пробивного напряжения защищаемых p-n переходов.

Существенным источником дефектообразования в приборах является электростатический разряд. Известны различные источники статического электричества. Например, человек, просто идущий по кафельному полу, генерирует электростатический заряд с напряжением более 25000 В. Трибоэлектрический заряд может выводить из строя полупроводниковые приборы и интегральные схемы не только в процессе эксплуатации, но и также при упаковке, транспортировке. Разрушение происходит при напряжении 100-200 В, при котором пробивается диэлектрик.

Температура перехода и кристалла имеет решающее значение для обеспечения длительности наработки приборов. При повышенных температурах кристалла наблюдается ускоренная деградация металлизации, увеличивается сопротивление металлизации, повышается интенсивность образования интерметаллических соединений в контактах разнородных металлов и электромиграции на ослабленных участках металлизации, повышается интенсивность деградации эвтектического сплава и мягкого припоя, соединяющего кристаллы с корпусом, уменьшаются прочность крепления кристалла на корпусе и теплоотдача от кристалла, увеличиваются токи утечки, растёт воздействие загрязнений кристалла на характеристики приборов.

Температура кристалла прибора связанна с температурой окружающей среды, тепловыделением на кристалле и теплоотдачей от кристалла во внешнюю среду.

Как правило, кристалл герметизируется в корпусе и если в корпус попала влага, то при работе при отрицательных температурах эта влага может мигрировать и замыкать или закорачивать отдельные контактные системы прибора, что может привести к его отказу из-за выхода параметров за пределы допустимых значений.

Подводя итог сказанному, перечислим основные причины деградации приборов:

1. В полупроводниковом кристалле:

- рост дислокаций между n⁺, p⁺ и n, p-областями, приводящий к закорачиванию p-n переходов;

- электромиграция материала токоведущих дорожек, приводящая к разрывам или увеличению сопротивления дорожек или к их нештатным замыканиям;

- диффузия в изолирующей плёнке SiO₂ ионов щелочных металлов, приводящая к увеличению темновых токов и снижению пробивного напряжения.

2. Образование интерметаллических соединений и повышение контактных сопротивлений, а также уменьшение прочности контактов между металлизацией кристалла; золотым проволочным выводом и выводом цоколя прибора.

3. Наличие влаги в герметичном корпусе прибора, приводящее к её миграции внутри корпуса и закорачиванию групп контактов.

Следует также отметить, что одной из главных причин ненадёжности вакуумных приборов, к которым относятся электронно-оптические преобразователи (ЭОП) и фотоэлектронные умножители, является потеря герметичности и натекание атмосферы в прибор. Это приводит к потере работоспособности фотокатодов и невозможности приложения высоких напряжений, необходимых для функционирования этих приборов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Следует подчеркнуть, что надёжность приборов и устройств является категорией их качества. Действительно, очевидно, что чем более надёжен прибор, тем более высокой категорией качества он характеризуется.

Согласно ГОСТ 27.002-89 Надежность есть свойство изделий выполнять заданные функции, сохранять свои эксплуатационные характеристики в заданных пределах при заданных режимах и условиях работы в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки.

Из этого определения следует, что надежность есть внутреннее свойство, присущее каждому образцу изделия. Таким образом, ненадежной считается не только та система, у которой наступает механическое или электрическое повреждение, приводящее к неработоспособности приборов, но также и та, у которой параметры выходят за предельно допустимые значения.

В задачу теории надежности входит решение двух принципиальных задач: оценка надежности выпускаемых изделий и оценка надежности изделий на стадии их проектирования.

Оценка надежности выпускаемых изделий осуществляется в результате их испытаний, когда для заданного числа испытаний и интервала времени, в течение которого они проводились, определяется надежность изделия. Оценка надежности прибора на стадии его производства требует априорного знания наиболее вероятных типов отказов и о физических процессах, лежащих в их основе.

Математические модели, применяемые для количественных оценок надежности, зависят от типа надежности. Современная теория выделяет три типа надежности:

1. Надежность «мгновенного действия», например надежность плавких предохранителей.

2. Надежность при нормальной эксплуатационной долговечности, например надежность вычислительной техники. При оценке нормальной эксплуатационной надежности одним из основных количественных показателей является среднее время работы между отказами, при этом рекомендуемый на практике диапазон значений- от 100 до 2000 часов.

3. Чрезвычайно продолжительная эксплуатационная надежность, например надежность космических кораблей. Если требования к сроку службы устройств - свыше 10 лет, то их относят к устройствам с чрезвычайно продолжительной эксплуатационной надежностью.

Для характеристики конкретного прибора пользуются понятиями исправного и работоспособного состояния.

Исправность — это состояние прибора, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической документации (НТД). В понятие НТД входят конструкторская и технологическая документация, Технические Условия на прибор и условия договора и контракта.

Работоспособность — это состояние прибора, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, установленными НТД

Для более полного описания надежности вводят такое понятие, как долговечность.

Долговечность — это свойство изделий сохранять свою работо­способность (с возможными перерывами для технического обслуживания или ремонта) до наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации (поломка, снижение мощности и т.д.). Данное свойство охватывает ресурсные характеристики прибора и существенно дополняет понятие безотказности.

Безотказность — это свойство прибора непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Применительно к полупроводниковым электронно-оптическим приборам под безотказностью понимается их способность непрерывно сохранять исходные значения параметров при использовании в режимах, обусловленных схемами и условиями эксплуатации.

Сохраняемость — это свойство прибора сохранять значения показателей безотказности и долговечности в течение и после хранения или транспортирования.

Характеристикой прибора, связанной с его эксплуатацией, является наработка, представляющая собой продолжительность или объем работы изделия. Наработка измеряется в часах или циклах непрерывной или суммарной периодической работы прибора в электрическом режиме. Наработка прибора, измеряемая в часах от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации, называется техническим ресурсом.

Срок службы — это календарная продолжительность эксплуатации изделия от начала эксплуатации до момента наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации.

Ремонтопригодность — это свойство изделия, выражающееся в его приспособленности к проведению технического обслуживания и ремонта, т.е. к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей и отказов. Фундаментальным понятием в теории надежности является определение отказа как события, заключающегося в полной или частичной утрате изделием его работоспособности, т.е. в нарушении работоспособности изделия. Отказ может наступить не только в силу механических или электрических повреждений элементов изделия (обрыва, короткого замыкания), но и при нарушении регулировки, из-за ухода параметров элементов за предельно допустимые значения и т.д. Кроме того, отказы могут быть обусловлены конструкцией деталей, их изготовлением или эксплуатацией.

В теории надежности существует широкая классификация отказов по различным признакам.

Классификация отказов

1. По характеру наступления отказы делятся на внезапные и постепенные.

Внезапным (катастрофическим) называют отказ, возникший в результате скачкообразных изменений одного или нескольких основных параметров системы, связанных с внутренними дефектами элементов, нарушением рабочих режимов, ошибками обслуживающего персонала и другими неблагоприятными воздействиями.

Постепенным (параметрическим) называют отказ, возникший в результате плавных изменений заданных параметров прибора, во-первых, вследствие деградации физико-химических свойств материала под влиянием эксплуатационных факторов и естественного старения и, во-вторых, вследствие изнашивания элементов системы в результате дрейфа рабочих параметров и их выхода за предельно допустимые значения.

2. По взаимосвязи между собой различают независимые и зависимые отказы.

Независимыми называют отказы, появление которых не изменяет вероятности появления других отказов, например отказы приборов, возникшие в результате процессов, происходящих в их внутренней структуре.

Зависимыми называют отказы, появление которых изменяет (увеличивает) вероятность появления других отказов. Например, выход из строя предохранителей цепи защиты от перегрузок, пассивных ограничительных элементов приводит к повреждению приборов.

3. По признакам проявления различают явные и скрытые отказы. Явные обнаруживаются при внешнем осмотре или включении

аппаратуры.

Скрытые отказы обнаруживаются при применении специальных контрольно-измерительных приборов.

4. По степени влияния на работоспособность аппаратуры различают полные и частичные отказы.

Полным называют такой отказ, до устранения которого использование аппаратуры по назначению невозможно.

Частичным называют отказ, до устранения которого имеется возможность хотя бы частично использовать аппаратуру по назначению.

5. По времени существования различают следующие отказы: устойчивые, сбои, перемежающиеся.

Устойчивым называют отказ, который устраняется только в результате ремонта или регулировки аппаратуры.

Сбоем называют однократно возникающий самоустраняющийся отказ, продолжительность действия которого мала по сравнению с продолжительностью работы аппаратуры до следующего отказа.

Перемежающимся отказом называют ряд быстродействующих, происходящих друг за другом сбоев. Например, могут возникнуть сбои в приборах из-за наличия в объеме герметичного корпуса проводящих частиц, способных создать кратковременные замыкания между внутренними выводами или отдельными токопроводящими дорожками.

При установлении этапа жизненного цикла прибора, на котором возникла первопричина отказов, различают конструктивные, производственные и эксплуатационные отказы.

Конструктивные отказы происходят в результате ошибок и нарушений норм и правил конструирования и проектирования в период разработки.

Под производственными отказами понимают отказы, возникающие в результате несовершенства процесса изготовления приборов или нарушения технологии.

При неправильной оценке возможностей приборов при их применении в аппаратуре возникают эксплуатационные отказы. В результате этого приборы могут подвергаться перегрузкам в аппаратуре и преждевременно выходить из строя. Наибольшее количество отказов приборов происходит в период использования аппаратуры потребителями с отступлениями от установленных правил эксплуатации и при неблагоприятных воздействий окружающей среды.

В теории надежности различают надежность систем и элементов.

Системой называется совокупность совместно действующих объектов, полностью обеспечивающих выполнение определенных практических задач.

Элементом называется часть системы, не имеющая самостоятельного значения и выполняющая в ней определенные функции.

Понятия «система» и «элемент» имеют относительный характер. Так, например, различные радиодетали (резисторы, конденсаторы) могут быть элементами таких систем как усилитель, радиоприемник и т.д. В свою очередь, эти системы могут рассматриваться как элементы более сложной системы - радиолокационной, которая также может быть элементом, допустим, системы наблюдения за спутниками и т.д.

Системы могут быть восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми.

Восстанавливаемая (допускающая многократный ремонт) система после отказа подвергается ремонту и продолжает выполнять свои функции (бытовая, вычислительная техника, аудио- и видеоаппаратура и т.п.).

Невосстанавливаемая система в случае возникновения отказа не подлежит либо не поддается восстановлению по экономическим или по техническим соображениям (плавкие предохранители, аппаратура баллистических ракет боевого назначения).

По характеру обслуживания различают обслуживаемые и необслуживаемые системы.

Обслуживаемые системы выполняют свои задачи при наличии обслуживающего персонала и обычно приспособлены к устранению отказов во время профилактических ремонтов.

Необслуживаемые системы выполняют возложенные на них функции без обслуживающего персонала, например аппаратура, устанавливаемая на большинстве невозвращаемых космических объектов.

По характеру влияния отказов элементов системы на ее выходные параметры и, следовательно, на эффективность, системы можно разделить на простые и сложные.

Простые системы при отказе одного или нескольких элементов полностью теряют работоспособность.

Сложные системы обладают способностью при отказе элементов продолжать функционировать с пониженной эффективностью.

В теории надежности различают последовательное, параллельное и смешанное соединения элементов.

Приведенные выше термины, применяемые при классификации отказов, нашли свое отражение в государственных стандартах и нормативно-технической документации и являются обязательными.