Испытания полупроводниковых приборов

После определенного цикла технологических операций, таких, как сплавление, диффузия, химическая обработка, напаивание р—п перехода на кристаллодержатель, сборка и герметизация, приборы подвергаются целому ряду технологических испытаний: на герметичность, теплостойкость, морозоустойчивость, влагостойкость, устойчивость к термоциклам, вибропрочность, удар, ускорение, пониженное давление, длительное хранение, срок службы.

Эти испытания проводятся с целью выяснения климатической стойкости и механической прочности приборов, а также для определения гарантируемого срока службы и хранения этих приборов.

Обычно весь комплекс испытаний проводится на небольших партиях приборов через определенный интервал времени(т.н. «периодические испытния»), что позволяет следить за техническим уровнем технологического цикла производства полупроводниковых приборов. Технологические испытания дают возможность обнаружить дефектные образцы и выяснить причину возникновения того или иного отклонения от технологического цикла изготовления приборов. Они же дают возможность оценить качество и надежность выпускаемых приборов.

Испытанию на герметичность подвергаются все готовые (собранные в корпус) приборы.

В настоящее время используются четыре основных метода испытания на герметичность: метод радиоактивного анализа, гелиевый, метод испытания горячим маслом и водяным давлением.

Метод радиоактивного анализа наиболее сложный и дорогостоящий. Он состоит в том, что испытуемые приборы помещают в герметичную камеру, которую наполняют радиоактивным газом. После удаления газа из камеры приборы извлекают и подвергают проверке на способность радиоактивного излучения.

Если у некоторых из испытуемых приборов будет нарушена герметизация, то радиоактивный газ проникнет внутрь баллонов этих приборов и после извлечения из камеры они будут обладать способностью радиоактивного излучения. Приборы с хорошей герметичностью корпуса после извлечения из камеры с радиоактивным газом будут давать лишь некоторый «фон» за счет пористости лакокрасочного покрытия корпуса прибора. Такой метод испытания дает возможность определять величину «течи» в достаточно большом диапазоне.

Гелиевый метод испытания приборов на герметичность заключается в воздействии на приборы гелием и использовании масс-спектрометрического течеискателя для индикации потока газа, проникающего в вакуум сквозь негерметичные узлы и элементы прибора. Этот метод проще, чем первый.

Метод испытания горячим маслом является самым простым и самым распространенным, ибо не требует специального сложного оборудования и дорогостоящих газов и препаратов. Он состоит в следующем.

Готовые приборы погружают в стеклянный сосуд с прозрачным маслом, нагретым до температуры порядка 120° С. Под воздействием высокой температуры давление воздуха внутри баллонов приборов повышается, и, если имеют место негер-метичные участки в конструкции корпуса приборов, воздух из баллонов начинает вытекать, что хорошо видно по пузырькам, появляющимся в масле и поднимающимся на поверхность.

Метод испытания водяным давлением состоит в том, что готовые приборы выдерживаются в течение нескольких суток в воде, которая находится под давлением порядка 3—5 атм.

Все описанные методы испытания на герметичность в настоящее время применяются в технологии производства полупроводниковых приборов.

Все полупроводниковые приборы подвергаются испытаниям на теплостойкость, т. е. на устойчивость приборов к условиям повышенных температур. Испытания обычно проводят при температурах, максимально допустимых для данного конкретного типа и группы приборов. Приборы помещаются в камеру тепла с равномерным распределением температуры по всему ее объему и выдерживаются в ней в течение нескольких суток. Так как полупроводниковые приборы очень чувствительны к температуре, то для этого вида испытаний особенно важно точное поддержание постоянной температуры в течение всего процесса проведения испытаний.

При испытаниях на теплостойкость проводят два вида контроля основных электрических параметров приборов. Первый состоит в проведении измерений этих параметров до и после испытаний. По полученным после испытаний результатам судят о теплостойкости данной партии приборов.

Второй вид контроля состоит в периодическом измерении основных электрических параметров испытуемых приборов в процессе их нахождения в Камере тепла. Заключение о теплостойкости приборов данной партии может быть дано уже в процессе испытаний.

Испытания на морозоустойчивость применяются не для всех выпускаемых приборов, а лишь для небольшой их партии. Они проводятся в камерах холода (криостатах), отрицательная температура в которых создается с помощью сухого льда или жидкого азота. Температура, при которой производятся испытания, для всех типов приборов выбирается в диапазоне от —60 до —70°С.

Технологический цикл испытания на морозоустойчивость подобен испытанию на теплостойкость.

Испытания на морозоустойчивость проводятся для выяснения возможности работы полупроводниковых приборов в условиях отрицательных температур и проверки механической прочности конструкции прибора (выводов, различных соединений) при сжатии электродных материалов под действием отрицательных температур.

Испытаниям на влагостойкость подвергаются все изготавливаемые приборы. Испытания проводятся в камере влаги при относительной влажности 98% и температуре окружающей среды +40° С. В этих условиях приборы испытываются в течение 3—30 суток в зависимости от типа прибора.

Электрические параметры приборов измеряются до и после испытаний. Если в партии приборов, поставленных на испытания, окажутся невлагостойкие приборы, то принимаются меры к отысканию и устранению причин нарушения технологии производства приборов данной партии.

Испытания на устойчивость к термоциклам проводятся для проверки качества выполненных ранее различных внутренних соединений прибора, таких, как напаивание кристалла на кристаллодержатель, присоединение выводов к эмиттеру и базе кристалла и других. При плохом качестве соединений (плохое припаивание или приваривание) в результате резкого изменения окружающей температуры они нарушаются.

Данный вид испытаний заключается в том, что приборы сначала нагреваются в камере тепла до максимально допустимой для данного типа приборов температуры и выдерживаются в течение нескольких минут при этой температуре. После этого без предварительного охлаждения все испытуемые приборы переносятся в течение 2—3 мин. в камеру холода с температурой от —60 до —70° С и выдерживаются в ней в течение нескольких минут. По окончании испытаний приборы вынимаются из камеры холода и на этом один термоцикл заканчивается.

Для оценки устойчивости данной партии приборов к термоциклам проводят два вида контроля основных электрических параметров. Первый состоит в проведении измерений этих параметров до и после испытаний. Этот вид контроля позволяет сделать вывод об устойчивости приборов к одному или нескольким полным циклам испытания. Второй состоит в проведении измерений электрических параметров приборов до испытаний, в момент выдержки при повышенной и пониженной температурах и после испытаний. Этот вид контроля дает возможность оценивать устойчивость приборов к термоциклам в процессе испытаний.

Испытанию на устойчивость к термоциклам подвергаются не только готовые приборы, но и отдельные элементы приборов (кристалл — невыпрямляющий контакт, электродный сплав — верхний вывод и многие другие). Это дает возможность выбрать наиболее правильные технологические режимы сплавления, припаивания, приваривания, термокомпрессии и холодной сварки, а также подобрать более рациональные (в тепловом отношении) соединения внутренних частей прибора.

Испытания на устойчивость к термоциклам особенно важны еще и потому, что во многих реальных схемах полупроводниковые приборы работают в режимах, которые вызывают поочередный нагрев и остывание прибора в течение длительного времени. Для приборов, прошедших испытание на устойчивость к термоциклам, такие режимы работы не опасны.

Испытания полупроводниковых приборов на вибропрочность проводят для определения механической прочности отдельных узлов и элементов, а также для обнаружения в приборах кратковременных коротких замыканий и обрывов, которые могут привести к разрушению прибора.

При испытаниях на вибропрочность приборы жестко укрепляют на платформе вибростенда и подвергают вибрации в направлениях вдоль оси симметрии прибора и перпендикулярной ей. В процессе испытаний контролируют с помощью осциллографа или специальных фиксирующих схем наличие в приборе коротких замыканий и обрывов, как кратковременных, так и постоянных. Электрические параметры приборов измеряют до и после испытаний.

Вибрационные стенды для проведения виброиспытаний бывают электромеханические- или электродинамические. В электромеханических стендах вибрация платформы создается кулачковым механизмом, приводимым в движение электродвигателем. В электродинамических стендах вибрация платформы создается взаимодействием магнитных полей неподвижного постоянного магнита и подвижной катушки, в обмотку которой подается переменный ток нужной частоты и напряжения. По принципу работы эти стенды напоминают электродинамические громкоговорители и позволяют получать вибрацию в широком диапазоне частот.

Испытания на устойчивость к вибрации обычно проводятся на небольшой партии приборов. Длительность испытаний для различных типов приборов лежит в пределах от нескольких часов до нескольких суток.

Испытания на удар проводятся на ударных стендах для проверки механической прочности приборов и их узлов. Приборы жестко крепят на платформе ударного стенда и подвергают ударам, величина и частота которых зависит от типа прибора и обычно указывается в частных технических условиях на данный тип прибора. Удары наносят в тех же направлениях, что и при испытаниях на вибропрочность.

При испытаниях на удар электрические параметры приборов контролируются в процессе испытаний и после них. Время проведения испытаний в зависимости от типа прибора может меняться в широком диапазоне от нескольких часов до нескольких суток.

Ударные стенды бывают обычно механические. С помощью эксцентрика платформа с испытуемыми приборами поднимается на заданную высоту, с которой затем падает на специальные опоры. Высота подъема и жесткость опор определяют величину ударной нагрузки.

Испытания на удар дают возможность оценить механическую прочность хрупких частей прибора. В первую очередь это относится к р—п переходам и к невыпрямляющим контактам, полученным методом сплавления. При нарушении технологии сплавления при плохом качестве полученного сплавного контакта в местах соприкосновения двух сплавляемых материалов, возникают участки с большими механическими напряжениями, которые растрескиваются при испытаниях на удар.

Для испытаний приборов на воздействие постоянных ускорений используются различные центрифуги. Партию приборов устанавливают на платформу центрифуги, которую приводят во вращение. Величина ускорения определяется скоростью вращения платформы и расстоянием от местоположения приборов до оси вращения платформы. Величина необходимого ускорения для различных типов приборов различна и приводится в частных технических условиях(ЧТУ) на определенный тип прибора. Время испытаний также зависит от типа прибора и лежит в пределах от нескольких минут до нескольких часов.

Контроль электрических параметров приборов в процессе испытаний на ускорение обычно не производится. Параметры измеряют до и после испытаний и по величине их изменения судят о влиянии данного вида механической нагрузки на качество приборов.

Испытания приборов на воздействие пониженных давлений проводятся для выявления опасности пробоя корпуса прибора. Особенно это важно знать для приборов, рассчитанных на большие рабочие напряжения и приборов с малыми расстояниями между токоведущими электродами. Для испытания приборы помещают в барокамеру с внутренним давлением, равным 5 мм. рт. ст. Затем на них подают номинальное напряжение и пропускают рабочий ток. В процессе испытаний контролируют основные электрические параметры приборов. Кроме электрических измерений осуществляют визуальный контроль, дающий возможность обнаружить пробой прибора по свечению между электродами.

На основании результатов испытаний делается вывод о пригодности прибора данной конструкции для работы в условиях пониженных давлений.

Испытаниям на длительное хранение подвергаются все типы приборов. Эти испытания проводятся для того, чтобы выяснить характер и величину изменения (дрейфа) основных электрических параметров приборов в процессе их старения. Полупроводниковые приборы представляют собой сложные конструкции, которые могут изменять свои свойства с течением времени, находясь в нерабочем состоянии. Проведение испытаний приборов на длительное хранение дает возможность более глубоко изучить влияние различных условий хранения приборов на их качество и надежность.

Испытания приборов на длительное хранение проводятся в различных климатических условиях: в условиях складского и полевого хранения, повышенной и отрицательной температуры, а также повышенной влажности.

Испытания приборов в условиях складского хранения проводятся в отапливаемых помещениях с температурой окружающей среды 25±10°С. Приборы лежат на стеллажах в заводской упаковке, В процессе хранения регулярно, через определенные промежутки времени, производится контроль основных электрических параметров.

При испытаниях в полевых условиях приборы помещают в расположенные на открытых площадках метеорологические будки с жалюзи. Перед помещением приборов в будки их крепят (напаивают или привинчивают) на специальных платах без упаковки. В процессе испытаний периодически осуществляется контроль электрических параметров.

Испытания приборов в условиях повышенной температуры окружающей среды проводят в камерах тепла (термостатах). В процессе испытаний через определенные промежутки времени контролируются электрические параметры приборов.

Испытания приборов в условиях отрицательных температур проводят в камерах холода, испытания приборов в условиях повышенной влажности — в камерах влаги с относительной влажностью 98% и температурой окружающей среды +40°С.

Длительность проведения испытаний зависит от конкретного типа прибора и может меняться от нескольких месяцев до 10 лет. В течение всего времени испытаний контролируются все основные электрические параметры приборов.

Испытания полупроводниковых приборов на срок службы проводятся с целью определения количественных показателей надежности и контроля соответствия надежности требованиям технических условий на данный полупроводниковый прибор.

Имеются два вида испытаний на срок службы: определительные и контрольные. Определительные испытания проводятся обычно в процессе массового производства при изменении конструкции прибора или отдельного технологического приема (операции), которые могут существенно повлиять на уровень надежности этого прибора. Контрольные испытания проводятся при опытном и серийном производстве приборов. Эти испытания, как правило, периодические.

-Как известно, работа полупроводниковых приборов в условиях повышенной температуры окружающей среды и повышенных электрических режимов приводит к увеличению числа отказов приборов по сравнению с числом отказов за такой же промежуток времени при облегченных условиях эксплуатации. Поэтому, чтобы получить более достоверный результат по надежности полупроводниковых приборов, их необходимо испытать в предельно допустимом температурном и электрическом режимах конкретно для каждого типа прибора.

Рекомендуется для сравнения результатов проводить испытания в двух температурных режимах: при максимальной рабочей температуре окружающей среды или соответствующей ей температуре корпуса прибора, указанной в технических условиях на данный тип прибора, и при нормальной комнатной температуре окружающей среды или корпуса прибора. Электрический режим при этом устанавливается на основе предельно допустимых эксплуатационных значений для соответствующих температур.

Испытания на срок службы проводятся для диодов в динамическом режиме, а для транзисторов в статическом режиме.

Для определения количественных показателей надежности полупроводниковых приборов необходимо знать параметры — критерии годности.

Параметрами — критериями годности при испытаниях на срок службы называются параметры полупроводниковых приборов, по значению которых устанавливается годность данного типа прибора или отказ этого прибора в процессе или в конце испытаний. За такие параметры принимаются основные электрические параметры, от значения которых зависит работоспособность аппаратуры в различных условиях эксплуатации.

В качестве параметров — критериев годности обычно принимаются следующие.

1. Для диодов общего назначения:

а)прямое падение напряжения при заданном значении выпрямленного тока;

б) обратный ток при заданном обратном напряжении.

2. Для импульсных диодов:

а)импульсное прямое сопротивление при заданной, величине импульса прямого тока и заданной длительности его предельного фронта;

б) время восстановления обратного сопротивления в режиме переключения с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение при заданной длительности фронта переключающего импульса;

в)обратный ток в статическом режиме при заданном обратном напряжении.

3. Для транзисторов универсального назначения:

а) обратный ток коллектора при заданном значении напряжения на коллекторе;

б)коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером;

в)входное сопротивление в схеме с общим эмиттером.

4.Для высокочастотных транзисторов:

а)обратный ток коллектора при заданном значении напряжения на коллекторе;

б)коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером;

в)активная составляющая сопротивления базы на высокой частоте.

Нормы на все перечисленные параметры — критерии годности обычно устанавливаются в технических условиях на каждый тип полупроводникового прибора.

Оценка результатов испытаний проводится как после их окончания, так и в процессе проведения испытаний.

Если в определенный момент времени число отказавших приборов будет меньше, чем предварительно предполагалось, то результаты испытаний считаются положительными за данный интервал времени; если же число отказавших приборов будет больше, то результаты испытания считаются отрицательными. То же самое относится и к моменту окончания испытаний.

Литература:

1. А. С. Груничев, В. А. Кузнецов, Е. В. Шипов «ИСПЫТАНИЯ РАДИО-ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ НА НАДЕЖНОСТЬ». Под редакцией В. А. Кузнецова

Дата добавления: 2015-07-20