在役晶體管濕熱試驗(yàn)失效模式及機(jī)理研究

姚珂，鄭南飛，羅琴，邱森寶，鄒祁峰，李坤蘭

在役晶體管濕熱試驗(yàn)失效模式及機(jī)理研究

姚珂，鄭南飛，羅琴，邱森寶，鄒祁峰，李坤蘭

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

研究在役晶體管濕熱試驗(yàn)的失效模式及失效機(jī)理，為減少晶體管失效提出改進(jìn)建議。選取長(zhǎng)期貯存了10余年未失效的3型在役晶體管進(jìn)行濕熱環(huán)境試驗(yàn)，采用掃描電鏡觀測(cè)、電性能參數(shù)測(cè)試、離子色譜分析等方法研究晶體管失效的模式和失效機(jī)理。晶體管經(jīng)過(guò)2 160 h濕熱試驗(yàn)后，有 3.75%的晶體管發(fā)生失效，其中晶體管管腿斷裂失效比例占2.50%，失效機(jī)理為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；晶體管參數(shù)超標(biāo)比例為1.25%，失效機(jī)理為器件背部或三防漆所含粘附離子引起的漏電。濕熱試驗(yàn)會(huì)加速在役晶體管的失效，其失效模式主要為因應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂導(dǎo)致的管腿斷裂以及因表面粘附離子引起的參數(shù)超差。建議在晶體管的壽命期內(nèi)加強(qiáng)質(zhì)量管理，改善不當(dāng)?shù)闹乒芄に嚕瑴p少器件的內(nèi)部缺陷及殘余應(yīng)力的存在，控制器件貯存環(huán)境的溫濕度以及大氣成分，杜絕氯離子等粘附離子及其他活性物質(zhì)的引入。

晶體管；濕熱試驗(yàn)；失效模式；失效機(jī)理

武器系統(tǒng)在貯存使用過(guò)程中要經(jīng)受所處環(huán)境因素的影響，各種環(huán)境因素通過(guò)對(duì)武器系統(tǒng)的激勵(lì)，會(huì)激活內(nèi)部潛在的失效因素，導(dǎo)致其性能發(fā)生變化，甚至無(wú)法完成其規(guī)定功能。特別是作為武器系統(tǒng)正常工作基礎(chǔ)的電子元器件，在系統(tǒng)中用量巨大，其貯存失效會(huì)嚴(yán)重影響其服役壽命。

電子元器件中的晶體管對(duì)信號(hào)有放大作用和開(kāi)關(guān)特性，用它構(gòu)成的各種功能的電子電路廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)中，是不可缺少的電子器件。晶體管在貯存和使用的狀態(tài)下也會(huì)受到各種環(huán)境因素的影響，是影響其性能的一個(gè)基本要素。關(guān)于環(huán)境條件對(duì)元器件的影響，研究學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作[1-8]。例如，藏學(xué)旺等[1]經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，晶體管3DG405A和3DG6D經(jīng)過(guò)55 ℃交變濕熱及濕熱、低溫和振動(dòng)組合試驗(yàn)后，參數(shù)失效都在70%以上。劉慧叢等[2]針對(duì)電子設(shè)備中器件在貯存環(huán)境下由于溫度、濕度的變化引起的腐蝕問(wèn)題，對(duì)器件鍍覆Ni/Pd/Au鍍層的電子器件進(jìn)行了濕熱試驗(yàn)，考察了貯存環(huán)境中的溫度、濕度以及器件表面狀態(tài)包括黏附鹽分、表面劃傷、黏附灰塵等因素對(duì)鍍層腐蝕的影響。盡管許多學(xué)者都開(kāi)展了元器件的環(huán)境試驗(yàn)，并研究了環(huán)境因素對(duì)器件的影響，但此類研究對(duì)象均是未在役的新電子元器件，對(duì)在役電子元器件環(huán)境因素影響的研究較少，關(guān)于濕熱試驗(yàn)對(duì)其影響的研究也很少。

在役晶體管隨裝備存放在庫(kù)房中，根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)使用，在貯存和轉(zhuǎn)場(chǎng)使用中會(huì)遭遇濕熱環(huán)境。濕熱是器件失效的重要因素，包含溫度和濕度的協(xié)同作用。文獻(xiàn)[1,3]表明，溫度是增進(jìn)腐蝕反應(yīng)的動(dòng)力之一，相對(duì)濕度是自然環(huán)境中最大的腐蝕因素之一。40 ℃以上對(duì)腐蝕反應(yīng)速度影響較大，腐蝕速度很快。在與其他腐蝕因素協(xié)同作用時(shí)，通常相對(duì)濕度在60%左右腐蝕速率會(huì)增大，而超過(guò)75%時(shí)，腐蝕速率會(huì)急劇增大。因濕熱地區(qū)自然環(huán)境中出現(xiàn)最高相對(duì)濕度95%，并伴隨氣溫30 ℃的情況是較少的，所以根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及工程經(jīng)驗(yàn)，本研究選擇了40 ℃、80%和40 ℃、90%這2個(gè)條件開(kāi)展?jié)駸嵩囼?yàn)。

在役電子元器件已經(jīng)經(jīng)歷了一段時(shí)間環(huán)境因素的影響，為了能快速地暴露出在役晶體管的潛在故障，本研究選取了從貯存了10余年的某武器系統(tǒng)取下的未失效在役晶體管進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，開(kāi)展失效分析，研究失效機(jī)理，提出改進(jìn)和預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品

選取長(zhǎng)期貯存了10余年未失效的3型在役晶體管共120只進(jìn)行濕熱試驗(yàn)。環(huán)境試驗(yàn)前，先完成晶體管的性能測(cè)試，以確保參試晶體管工作正常。性能測(cè)試完成后，其中80只晶體管均分為2組進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，剩余40只進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

1.2 方法

對(duì)3個(gè)型號(hào)的晶體管進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，研究了濕熱試驗(yàn)對(duì)晶體管的影響。濕熱試驗(yàn)條件分別為40 ℃、80%RH和40 ℃、90%RH。每隔30 d（720 h）取出樣品，完成性能測(cè)試后，再入箱繼續(xù)進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，總共試驗(yàn)時(shí)間為2 160 h。

晶體管性能測(cè)試參數(shù)主要為集電極反向截止電流CBO和直流放大倍數(shù)FE，測(cè)試條件及合格判據(jù)都根據(jù)產(chǎn)品的型號(hào)要求確定。晶體管性能測(cè)試完成后，對(duì)失效的晶體管進(jìn)行了失效分析，研究了失效機(jī)理。

試驗(yàn)過(guò)程中，拆卸過(guò)程按照元器件拆卸要求進(jìn)行，為防止其他物質(zhì)的引入，試驗(yàn)人員全程操作均佩戴手套。

2 結(jié)果及分析

2.1 晶體管濕熱試驗(yàn)失效模式統(tǒng)計(jì)

累積濕熱試驗(yàn)2 160 h后，3型晶體管共計(jì)3只發(fā)生了失效，其中2只管腿斷裂，1只參數(shù)超差，失效情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)2 160 h濕熱試驗(yàn)后，失效晶體管所占比例為3.75%，在失效晶體管中管腿斷裂占2.5%，參數(shù)超差占1.25%。管腿斷裂的失效時(shí)間均發(fā)生在720 h后，參數(shù)超差的失效時(shí)間是1 440 h后。

體檢工作均由工作經(jīng)驗(yàn)豐富的相關(guān)人員統(tǒng)一完成,進(jìn)行手肘正中位置進(jìn)行靜脈采血,以碘酒進(jìn)行注射器、體檢人員手肘消毒,所有人員均在同一環(huán)境、同一針頭規(guī)格、同一操作方式下完成整個(gè)體檢采血工作。

表1 環(huán)境試驗(yàn)晶體管的失效統(tǒng)計(jì)

Tab.1Transistors failure statistics under environment tests

一般情況下，半導(dǎo)體器件的失效模式大致可分為6類，即開(kāi)路、短路、無(wú)功能、特性劣化、重測(cè)合格率低和結(jié)構(gòu)不好[9]。對(duì)于不同器件，貯存失效表現(xiàn)形式很多，主要表現(xiàn)為參數(shù)漂移、開(kāi)路、短路、漏氣（水汽含量超標(biāo)）、外引線斷裂等。貯存失效機(jī)理主要集中表現(xiàn)為腐蝕失效、鍵合/貼裝失效、密封失效、工藝缺陷等[10]。在本研究中，失效模式統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，從長(zhǎng)期貯存的某武器系統(tǒng)上拆卸下來(lái)的在役晶體管，在進(jìn)行濕熱試驗(yàn)后，失效模式是參數(shù)超差和管腿斷裂。

2.2 晶體管濕熱試驗(yàn)失效機(jī)理分析

針對(duì)失效的晶體管，本研究利用物理及化學(xué)的分析手段對(duì)其進(jìn)行了分析研究，確定了失效原因，明確了失效機(jī)理。

2.2.1 管腿斷裂機(jī)理分析

晶體管管腿斷裂會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的后果，很多研究學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了研究[11-20]。本研究對(duì)2只經(jīng)過(guò)濕熱試驗(yàn)后管腿斷裂的晶體管開(kāi)展了失效機(jī)理研究。

以編號(hào)為453#某Ⅰ型PNP硅高頻小功率晶體管為例進(jìn)行分析。該晶體管經(jīng)過(guò)720 h的40 ℃、90%RH濕熱試驗(yàn)后，管腿斷裂。在體視顯微鏡下對(duì)晶體管進(jìn)行宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，管腿斷裂的位置出現(xiàn)在根部，即管腿的應(yīng)力集中處，如圖1所示。

管腿斷面SEM形貌顯示，斷面呈現(xiàn)2種不同的形貌，斷面的下方斷面平整，呈準(zhǔn)解理形貌（如圖2區(qū)域A、C所示）；在斷面上方觀察到大量的韌窩，為韌性斷裂（如圖2區(qū)域B所示），該形貌為應(yīng)力腐蝕斷裂形貌特征。EDS結(jié)果表明，在管腿上還檢出有一定量的腐蝕性元素氯（Cl），說(shuō)明三極管斷面存在一定的腐蝕（如圖3所示）。

圖1 晶體管453#管腿及斷裂部位外觀照片

圖2 晶體管453#管腿斷裂截面SEM觀察照片

經(jīng)過(guò)綜合分析可知，晶體管的管腿材料為可閥合金，很容易吸附氯離子。氯離子可以局部破壞鈍化膜，使該處金屬容易溶解而成為小陽(yáng)極，周圍大面積金屬成為大陰極，促進(jìn)可閥合金的電化學(xué)腐蝕向基體縱深發(fā)展。濕熱試驗(yàn)對(duì)器件腐蝕失效的影響主要表現(xiàn)在濕度會(huì)在器件金屬表面形成一層液膜，在腐蝕介質(zhì)的共同作用下促進(jìn)電化學(xué)腐蝕，從而導(dǎo)致器件的失效。

圖3 晶體管453#管腿表面EDS檢測(cè)結(jié)果

2.2.2 參數(shù)超差失效機(jī)理分析

對(duì)參數(shù)超差的晶體管按照GJB 548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中的方法5003“微電路的失效分析程序”開(kāi)展失效機(jī)理研究。編號(hào)為276#的某Ⅱ型晶體管經(jīng)過(guò)1 440 h的40 ℃、90%RH濕熱試驗(yàn)后，參數(shù)超差。276#晶體管失效分析的結(jié)果顯示，晶體管外觀、X-ray結(jié)果均未見(jiàn)明顯異常，但內(nèi)部水汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)（水汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)為≤0.5%），為3.40%。對(duì)276#晶體管進(jìn)行機(jī)械開(kāi)封、去引線、去膠，露出內(nèi)部結(jié)構(gòu)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，樣品未見(jiàn)明顯異常形貌。為了確定失效樣品的失效特性，利用圖示儀對(duì)276#晶體管進(jìn)行電特性測(cè)試，在未開(kāi)封前進(jìn)行第一次電測(cè)。由于樣品內(nèi)部芯片通過(guò)鍵合絲與管殼連接，開(kāi)封后將鍵合絲勾斷，將芯片與管殼獨(dú)立，分別對(duì)芯片和管殼進(jìn)行第二次測(cè)試。去除管殼背面三防漆后，對(duì)管殼引腳進(jìn)行第三次測(cè)試。樣品電性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，結(jié)果顯示，276#晶體管開(kāi)封前，晶體管漏電失效。開(kāi)封去掉樣品內(nèi)部引線后，芯片的C極–B極、C極–E極漏電流均符合規(guī)范，裸芯片各電特性參數(shù)未見(jiàn)異常，276#晶體管管殼的C極引腳–B極引腳和C極引腳–E極引腳電流均超出規(guī)范。去除背面三防漆后，276#晶體管管殼的C極引腳–B極引腳和C極引腳–E極引腳電流均符合規(guī)范。由此可以得出，晶體管通過(guò)背面與三防漆界面或者通過(guò)三防漆本身發(fā)生了漏電。為了確定其失效機(jī)理，對(duì)從276#晶體管管殼背面剝離的三防漆清洗萃取離子后進(jìn)行離子色譜分析，發(fā)現(xiàn)三防漆表面含有Cl?、Ca2+、Na+、K+等離子（見(jiàn)表2、3和圖4），在潮濕環(huán)境中能夠形成導(dǎo)電通道，從而導(dǎo)致漏電失效。

表2 276#晶體管的電特性參數(shù)測(cè)試結(jié)果（A=25 ℃）

Tab.2 Electrical characteristic parameter test result of transistor 276# (tA=25 ℃)

表3 276#晶體管的離子色譜分析結(jié)果

Tab.3 Ion chromatography analysis result of transistor 276#

圖4 276#晶體管背面三防漆離子色譜分析

3 改進(jìn)建議

本研究確定了晶體管經(jīng)濕熱試驗(yàn)后的失效模式和失效機(jī)理，為了減少晶體管的失效率，提出了糾正和改進(jìn)措施。在役晶體管受到貯存等環(huán)境條件的影響，且根據(jù)任務(wù)需要，其環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，具有復(fù)雜性，本研究的改進(jìn)建議主要從晶體管本身出發(fā)進(jìn)行分析研究。

3.1 減少管腿斷裂的建議

本研究中，晶體管管腿的斷裂均因管腿金屬發(fā)生了應(yīng)力腐蝕。晶體管的管腿材料為可閥合金（鐵鈷鎳合金），對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂較為敏感。發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件有3個(gè)：材料為合金材料；存在拉應(yīng)力（即使很小，也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的發(fā)生）；在特定的活性介質(zhì)中。因此，要減少管腿的應(yīng)力腐蝕斷裂，可以從以下3方面進(jìn)行考慮。

1）提高引腳材料質(zhì)量。因可閥合金具有膨脹系數(shù)與玻璃相近和塑形好的優(yōu)點(diǎn)，作為元器件的引腳材料應(yīng)用十分廣泛。雖然可閥合金對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感的特點(diǎn)不可避免，但可以盡量減少材料中其他雜質(zhì)的引入和缺陷的形成。如某些元器件廠家因?yàn)楣に嚨脑?，?huì)在引腳材料上摻入錳等雜質(zhì)，導(dǎo)致引腳變脆，容易斷裂，而且材料本身的缺陷也容易引起材料的斷裂。

2）引腳材料的成形及表面處理。管腿在制造和組裝過(guò)程中，材料多少都會(huì)受到局部變形，存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致微小拉力的形成，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕。因此，在后續(xù)的工藝中應(yīng)嚴(yán)格按照工藝文件進(jìn)行引線的加工處理，減少加工過(guò)程中在引線上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，需要時(shí)還可對(duì)引線的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，獲取相關(guān)信息。

3）減少氯離子等活性物質(zhì)的引入。已有研究表明，某些元器件因使用的清洗溶劑和助焊劑含有鹵素成分，會(huì)導(dǎo)致元器件發(fā)生腐蝕[3]。因此，對(duì)于氯元素的引入，從源頭各個(gè)階段進(jìn)行分析，用以在后續(xù)采取針對(duì)性措施，盡量杜絕氯元素和其他腐蝕介質(zhì)的引入。參試晶體管所使用的裝焊流程為預(yù)處理（塘錫、成形）、三極管插裝、手工焊接、檢驗(yàn)、三防處理、點(diǎn)膠粘固。本研究對(duì)加工處理過(guò)程中可能會(huì)引入氯離子的因素進(jìn)行了化學(xué)分析，在松香助焊劑、點(diǎn)粘膠固使用的硅橡膠中均未測(cè)出氯離子。在管腿使用的PVC套管中檢出氯離子，但是經(jīng)過(guò)清洗靜置一段時(shí)間后，只檢出很微量的氯離子（在誤差范圍內(nèi)），說(shuō)明套管析出氯離子的可能性較小。擦拭用的棉花和三防漆（聚氨酯清漆）中被檢出含有氯離子，三防漆表面的含氯量高于漆內(nèi)部的含量，不排除活性物質(zhì)在工藝流程上的引入。

除了考慮活性物質(zhì)工藝流程上的引入，還需要考慮人為因素，是否存在人手接觸污染而引入氯離子的情況。有研究表明，單個(gè)指印里存有30 μg的氯化鈉。國(guó)外有研究學(xué)者曾對(duì)潔凈的和手摸過(guò)的可閥絲引線做過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，后者出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[20]。因此，為了減少氯離子的引入，一方面要在工藝流程上杜絕活性物質(zhì)的引入；另一方面，在加工處理時(shí)，一定要嚴(yán)格按照工藝文件要求，裸手決不能拿晶體管管腿，應(yīng)戴上薄紗手套或指套，而且成品在檢測(cè)和包裝運(yùn)輸過(guò)程中，也要杜絕人手接觸造成的污染。

3.2 減少參數(shù)超差的建議

電子元器件失效的主要原因之一是沾污[21]，包括顆粒沾污和表面沾污。本研究中，經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)后，性能參數(shù)超差的晶體管的失效機(jī)理均為由于晶體管背面或三防漆中含有微量Cl?、Ca2+、Na+、K+等離子，能夠形成導(dǎo)電通道而漏電失效，屬于表面沾污。

對(duì)于沾污引起的晶體管失效，確定污染源是實(shí)施改進(jìn)措施的先決條件。因?yàn)槿梭w汗液除了水以外，還有鈉、鉀、氯、鈣等礦物質(zhì)，含有晶體管背面或三防漆中檢測(cè)出的離子，再結(jié)合上述化學(xué)成分分析的研究結(jié)果，存在人為引入了腐蝕離子的可能性。因此，在加工處理、試驗(yàn)和包裝運(yùn)輸過(guò)程中，一定要提升質(zhì)量控制，杜絕裸手觸碰晶體管，也要杜絕裸手觸碰會(huì)接觸晶體管的物質(zhì)，以免通過(guò)汗液直接和間接引入腐蝕離子。

4 結(jié)語(yǔ)

研究結(jié)果表明，晶體管經(jīng)過(guò)2 160 h的濕熱試驗(yàn)后，失效晶體管所占比例為3.75%。失效分析結(jié)果顯示，晶體管失效模式為管腿斷裂和性能參數(shù)超差。其中，晶體管管腿斷裂失效比例占2.5%，參數(shù)超標(biāo)比例為1.25%。晶體管管腿斷裂的失效機(jī)理均為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，晶體管參數(shù)超差的失效機(jī)理為器件背部或三防漆所含粘附離子引起的漏電。

針對(duì)濕熱試驗(yàn)暴露出的晶體管失效問(wèn)題，為減少管腿發(fā)生腐蝕斷裂，應(yīng)提高管腿的質(zhì)量，改善不當(dāng)?shù)闹乒芄に?，減少內(nèi)部缺陷，控制器件貯存環(huán)境的溫濕度以及大氣成分，在管腿加工處理時(shí)，應(yīng)盡量減少殘余應(yīng)力的存在。另外，無(wú)論是腐蝕開(kāi)裂還是粘附離子引起的漏電失效，在晶體管制備、試驗(yàn)、運(yùn)輸、貯存和使用的過(guò)程中，均應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管理，杜絕氯離子等粘附離子及其他活性物質(zhì)的引入。

此外，除了濕度以外，其他的環(huán)境包括振動(dòng)、空氣中的灰塵顆粒、硫化物等腐蝕氣體、綜合環(huán)境條件也會(huì)引起晶體管的失效，后續(xù)再進(jìn)行研究。

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Failure Mode and Mechanism of In-service Transistors in Damp Heat Test

YAO Ke, ZHENG Nan-fei, LUO Qin, QIU Sen-bao, ZOU Qi-feng, LI Kun-lan

(The Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610, China)

The work aims to study the failure mode and failure mechanism of in-service transistors in damp heat test, and to propose improvement suggestions for reducing transistor failures. Three types of in-service transistors stored for more than 10 years without failure were selected for the damp heat test. The failure mode and failure mechanism of the transistors were studied by scanning electron microscope observation, electrical performance parameter testing, and ion chromatography analysis, etc. The results showed that 3.75% of transistors failed after 2 160 hours of damp heat test, including 2.50% of transistor lead breakage failure, and the failure mechanism was stress corrosion cracking; 1.25% of transistor parameters exceeded the standard. The failure mechanism was electric leakage caused by the adhesion ions contained in the back of the device or conformal coating. Damp heat test accelerates the failure of in-service transistors. The main failure modes are lead breakage due to stress corrosion cracking and parameter out-of-tolerance due to surface adhering ions. It is recommended to strengthen quality control during the lifetime of transistors, improve improper tube manufacturing process, reduce internal defects and residual stress, control the temperature, humidity and atmospheric composition of the storage environment, eliminate chloride ions and other adhering ions, and avoid the introduction of other reactive substances.

transistor; damp heat test; failure mode; failure mechanism

2021-08-31；

2022-01-13

YAO Ke (1983-) Female, Master.

姚珂, 鄭南飛, 羅琴, 等. 在役晶體管濕熱試驗(yàn)失效模式及機(jī)理研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(2): 110-117.

TJ089

A

1672-9242(2023)02-0110-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.02.015

2021–08–31；

2022–01–13

姚珂（1983—），女，碩士。

YAO Ke, ZHENG Nan-fei, LUO Qin, et al.Failure Mode and Mechanism of In-service Transistors in Damp Heat Test[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(2): 110-117.

責(zé)任編輯：劉世忠