CC BY
38
Пиганов М.Н., Тюлевин С.В. МЕТОДИКА ОТБРАКОВКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
В настоящее время одним из направлений повышения надежности РЭС, в первую очередь для систем летательных аппаратов и другой ответственной техники, является повышение потенциально ненадежных ЭРИ на этапе входного контроля и их отбраковки. Известные методики отбраковки полупроводниковых диодов по форме статической и динамической вольт-амперной характеристики [1 ] являются недостаточно эффективными, т.е. не позволяют выявлять некоторые типы скрытых дефектов структуры.
Целью данной работы является повышение эффективности отбраковки полупроводниковых диодов.
Был проведен анализ отказов полупроводниковых диодов. По его результатам были выявлены основные темы дефектов: скопления примесей, дислокации, медленные состояния вблизи поверхности раздела полу-
проводника и защитного покрытия, микротрещины, низкая гомогенность в контактных областях, зарядовая нестабильность. На основе этих данных был сделан предварительный выбор информативных параметров качества диодов. Качество диодов было предложено оценивать по т-параметру. Однако результаты испытаний показали, что вероятность принятия правильных решений не превышает 0,64. при этом отбраковывается около 8% диодов. В связи с этим было предложено использовать дополнительный информативный параметр -уровень низкочастотного шума (Щ. Шумовые параметры несут важную информацию о качестве электрорадиоизделий [2]. Таким образом, предлагаемая методика предусматривает двухэтапную проверку и отбраковку диодов по т-параметру и величине иш.о.
Рассмотрим физические основы методики. Вольт-амперная характеристика идеального диода описывается уравнением Шокли:
^ За(ехр[\и/фт]-1)г где Jo - обратный ток насыщения; и - напряжение на р-п переходе; фт- тепловой потенциал.
Если построить ВАХ в полулогарифмическом масштабе, используя это выражение, то получим прямую линию с коэффициентом наклона, равным 1. Однако реальные характеристики диодов могут быть представлены аппроксимирующими линиями с участками, имеющими различные коэффициенты наклона (рис. 1).
На начальном участке необходимо учитывать две составляющие прямого тока через р-п переход: гене-
рационно-рекомбинационную и диффузионную. Генерационно-рекомбинационная составляющая определяется выражением
Jr=Aexp(U /2фт).
Эта зависимость в полулогарифмическом масштабе представляет собой прямую линию с коэффициентом наклона Ч. У германиевых приборов на начальном участке диффузионная составляющая превышает генерационно-рекомбинационную, поэтому характеристика имеет коэффициент наклона 1. У кремниевых приборов, наоборот, поэтому коэффициент наклона равен - Ч. С ростом напряжения на р-п переходе у кремниевых приборов преимущественную роль начинают играть диффузионные составляющие и наклон характеристики становится равным 1. При дальнейшем росте напряжения в его распределении существенную роль начинает играть объемное сопротивление базовой области и выражение для вольт-амперной характеристики принимает следующий вид:
1гр=1а[ехр(и-1г5/ фт)],
где г5 - активное сопротивление базовой области. На характеристике появляется, так называемый, омический участок и наклон её как у германиевых, так и у кремниевых приборов изменяется до Ч и больше. В общем виде уравнение характеристики имеет следующий вид:
1пр=1о ехр[и/т фт],
где т - коэффициент наклона характеристики в полулогарифмическом масштабе, или, как принято ее называть, т - характеристика.
Величина коэффициента т зависит от совершенства структуры р-п перехода, базовой области и омических контактов. По степени отклонения значения коэффициента т от теоретического для различных диапазонов можно судить о качестве прибора. На этом принципе основан метод контроля приборов по т-характеристикам.
Согласно этому методу прибор контролируют посредством регистрации тока через него в 17 дискретных точках в следующих поддиапазонах:
I (маленькие токи) : 10-10 ... 10-7А,
II (средние токи) : 3.10-7 ... 10-4 А,
III (большие токи): 3.10-4 ... 10-2 А.
По результатам измерений строятся т-характеристики и сравниваются с идеализированной характеристикой (рис. 1), согласно которой у совершенной полупроводниковой кремниевой структуры в поддиапазоне 1 коэффициент т изменяется в пределах от 2 до 1, в поддиапазоне 2 практически неизменен и равен
1,а в поддиапазоне 3 изменяется от 1 до 2 (рис. 2).
т
I пд. II пд. III пд. /
10-10 3 10-7 3 10-4 102 [А]
Характеристики реальных приборов имеют разброс. По отклонению m - характеристики партии приборов от идеализированной можно оценить стабильность технологического процесса и, на основе полученных данных, судить о возможных диффектах в полупроводниковых структурах.
Экспериментально исследовались диоды 2Д510А, 2Д212А, 2Д103А.
При измерении m-параметров использовалась установка диагностического контроля полупроводниковых диодов по т-характеристике УДК-2, а также цифровой вольтметр, осциллограф, блок питания.
Измерение m-параметра производились косвенным методом путем измерения напряжения Двых прибора. Данное устройство обеспечивало измерение Двых с точностью ±5%. Осциллограф и вольтметр использовались для наблюдения функциональной зависимости Uвых=f №. На экране осциллографа наблюдалась форма т-характеристики, а с помощью цифрового вольтметра измерялось непосредственное значение m-параметра. Т.к. вольтметром измерялось пиковое значение напряжения, то значения m-параметра вычислялось по формуле:
т=[9,96+ ДВЫх]/11,
где ДВЫх - выходное напряжение, измеряемое вольтметром.
Диод считался потенциально ненадежным, если значение m-параметра не укладывалось в интервал
[1,2].
Результаты измерений и их математическая обработка для диодов типа 2Д510А приведены в табл.1.
Исследование диодов, прошедших контроль по m-параметру показало, что не все потенциально ненадежные образцы удалось отбраковать. Для выявления оставшейся части ненадежных образцов проводился контроль по Дш.
Низкочастотные шумы представляют наибольший интерес с точки зрения прогнозирования отказов диодов, т.к. причиной их возникновения являются различного рода дефекты в структуре полупроводниковых приборов. В литературе еще нет единой терминологии для этого вида шума. Мы в дальнейшем будем этот шум называть низкочастотным, подразумеваем под этим шумом шум, спектральная плотность мощности которого пропорциональна 1/ ^ , где коэффициент у характеризует вид спектра. Низкочастотный (НЧ) шум проявляется практически у всех материалов и элементов, используемых в электронике. Он является универсальным типом флуктуаций и наблюдается в самых различных сферах: землетрясения и грозы; флуктуации нормального периода сердцебиения человека; интенсивность и высота звука в музыке.
Исследования многих авторов показывают, что НЧ шум полупроводниковых приборов обусловлен прежде всего электрофизическим состоянием поверхности кристалла [2,3]. НЧ шумы создают флуктуации концентрации зарядов на поверхности, флуктуации скорости поверхностной рекомбинации в области эмиттерного перехода и флуктуации поверхностной утечки по периметру коллекторного перехода. Перечисленные дефекты могут привести к отказу полупроводникового прибора. Повышенный НЧ шум создают и объемные дефекты структуры. Структурная неоднородность различных областей, дислокации и микротрещины приводят при протекании тока к локальной перенапряженности и перестройке отдельных участков структуры.
Существенная часть НЧ шума обусловлена дефектами контактов. Интенсивность отказов полупроводниковых приборов и, особенно интегральных схем, в большей степени определяется отказами (обрывами) внутренних контактных соединений. Причиной обрывов являются недостаточная прочность термокомпрессионных соединений, плохая адгезия алюминиевых контактных площадок к поверхности полупроводниковой структуры, появление нежелательных химических соединений в местах контактов разнородных металлов.
Соединение можно представить состоящим из большого числа отдельных "микроконтактов", обусловленных взаимным проникновением атомов соприкасающихся материалов. Качество этих микроконтактом не одинаково, некоторые из них неустойчивы и могут замыкаться и размыкаться случайным образом. Во внешней цепи это будет проявляться как шумовые флуктуации тока - контактный шум. В процессе разрушения контактного соединения, например, электрической коррозии дорожки металлизации, относительное число неустойчивых контактных точек растет. Поэтому шумы контактных соединений постепенно возрастают. Особенно значительными они становятся в "предотказовом" состояния соединения. Следовательно, измерения контактных шумов могут быть использованы для прогноза их отказов.
Экспериментально напряжение низкочастотного шума полупроводниковых диодов типа 2Д510А, 2Д103 и
2Д212 исследовалось на установке "Старт-1". Измерения шумов проводились в полосе частот от 6 Гц до 6 кГц. Сущность контроля диодов состоит в следующем.
Измерение значений напряжения шума Д производится при различных значениях обратного напряжения, выбираемых согласно ТУ. Уровень отбраковки Дш.о. определялся путем вероятностно-статистической обработки результатов измерения зависимости Uш=f (Добр).
Таблица 1.Значение т-параметра для диодов 2Д510А при температуре 25оС
Номер образца Значение т-параметра Номер образца Значение т-параметра
1 1.224 26 1.190
2 1.224 27 1.201
3 1.224 28 1.202
4 1.230 29 1.214
5 1.221 30 1.228
6 1.226 31 1.225
7 1.222 32 1.226
8 1.214 33 1.234
9 1.242 34 1.228
10 1.236 35 1.225
11 1.236 36 1.219
12 1.239 37 1.227
13 1.235 38 1.214
14 1.232 39 1.255
15 1.234 40 1.259
16 1.235 41 1.263
17 1.286 42 1.259
18 1.221 43 1.245
19 1.220 44 1.225
20 1.222 45 1.224
21 1.203 46 1.229
22 1.230 47 1.240
23 1.220 48 1.237
24 1.210 49 1.230
25 1.224
При этом, среднее значение напряжения шума определялось по формуле: ЦУШ = 2 иш1 1 П
1 = 1
где иШ1 - значение шумового напряжения 1-го диода при определенном обратном напряжении; п - объем выборки.
Дисперсия шума определялась по выражению 2
D[Um ] = ^(Umi - Um) /(n-1).
■ ш. ш- (П -
i=1
Среднестатистическое отклонение определяли по формуле
5= Л ^ n
Затем определяли границы доверительного интервала
U ш max = и + ta 5,
ишт1п ш - t„ 5,
где Ummin и иштах - минимальное и максимальное значение границ доверительного интервала;
ta - коэффициент Стьюдента.
Устанавливаем уровень отбраковки
иш.о. = U ш max + 3 5.
Все экземпляры, у которых при рассматриваемом обратном напряжении иш больше иш.о., считаются потенциально ненадежными и отбраковываются. В результате экспериментов было замечено, что у диодов, отбракованных по уровню шума, обратные токи были больше, чем у потенциально ненадежных диодов. Это можно объяснить наличием сквозного канала у таких приборов. Для изучения характера связи напряжения шума с обратным током проведен корреляционный анализ. Коэффициент корреляции определялся по формуле:
1.n - -
r =
n
i=1
SA
где Х±- значение напряжения шума при заданном обратном напряжении;
У 1 - значение обратного тока 1-го диода при том же обратном напряжении;
Бх , Бу - стандартные отклонения переменных Х и У. Они определялись по формулам
-2 (X
-х )2,
В результате вычислений было получено, что для диодов 2Д212, 2Д510, 2Д90 6 коэффициент корреляции изменяется в пределах 0.54... 0.72. В рамках обучающего эксперимента были проведены исследовательские испытания по методике [4]. Они подтвердили высокую эффективность методики отбраковки. Предлагаемая методика обеспечивает вероятность принятия правильных решений не менее 0,9.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пиганов М.Н. Технологические основы обеспечения качества микросборок. - Самара: СГАУ, 1999. -
231 с.
2. Нарышкин А.К., Врачев А.С. Теория низкочастотных шумов. - М.: Энергия, 1982. - 125 с.
3. Умблийс А.А. Методика выделения импульсов взрывного шума // Радиоэлектроника и электросвязь. Флуктуационные процессы в электронных схемах. - Рига: Риж. политехн. ин-т, 1984. - с. 46-52.
4. Пиганов М.Н. Индивидуальное прогнозирование показателей качества элементов и компонентов микросборок. - Новые технологии, 2002. - 267 с.
n
S
i=1
S
