国外**电子元器件可靠性技术研究(二)
光电子技术是电子技术的一个分支,用于**战术及战略系统的关键光电元器件有:激光器、焦平面阵列、放大器、检测器、光器件、光纤以及低功耗显示器件等。但是,由于鉴定光电子器件的可靠性是*近才开展起来的工作,与微电子器件相比,其技术还比较薄弱。
a)激光器的试验技术
激光器的试验技术包括:发射极的试验、非偏压湿度和温度试验、高温老练、有源应力试验和磨损劣化模式老练试验。
b)光电检测器的试验技术
光电检测器的试验技术包括:冷热冲击试验箱筛选试验、机械冲击、恒定加速、气密性密封、温度循环、热冲击、高温贮存、湿度储存、可焊性等。
c)非气密封装AlGaAsLED的环境加速试验
由于发光二极管(LED)的使用环境变得越来越严酷,器件可靠性成为人们越来越关注的问题。实施非气密封装AlGaAsLED的环境加速试验研究的目的是为了测定AlGaAs/GaAsLED器件在不同的温度、湿度和偏流条件下与塑料封装相关联的失效模式及其机理。
d)光纤网络产品的环境试验
一些光纤网络产品正在接受试验。冷热冲击试验箱环境可靠性寿命试验有助于测定基本器件的设计、制造材料与工艺是否**,是否能够提供合适的长期可靠性特性。例如:按照Telcordia标准来实施试验,以便对光纤材料与元件进行可靠性表征与定量。
许多Telcordia规范所共用的可靠性试验程序包括高低温贮存试验、温度循环试验、湿热试验、循环的耐潮性试验和温度冲击试验。
e)非气密性激光模块的高加速寿命试验
目前,以边发射激光器为基的光电子器件的低成本、非气密性封装已开始投入市场。郎讯企业的非冷却FabryPerot激光发射机封装曾作为试样,试验项目包括温湿偏压试验(THB)和腐蚀试验。结果表明该器件有足够的可靠性,可以满足未来电信设备的使用要求。
2.2新的失效分析技术
近年来,能够适应IC技术发展需冷热冲击试验箱求的聚焦离子束(FIB)、反应离子腐蚀(RIE)、电子束测试(EBT)、光发射显微(EMM)、扫描声学显微(SAM)、扫描探针显微(SPM)和荧光微热像FMI)等新的失效分析技术在深亚微米器件的分析和微细加工等方面发挥了非常重要的作用。
2.2.1FIB技术
FIB是20世纪90年代发展起来的一种集形貌观测、定位制样、成份分析、薄膜淀积和刻蚀各过程于一身的新型分析和加工技术。它的**定位、显微观测和微细加工等功能使其在微电子领域中起着重要的作用,特别在亚微米、深亚微米级IC器件的设计和制造等方面有着广泛的应用,例如:微电子器件的剖面分析、透射电子显微镜(TEM)样品制备、电路修改和器件的再加工、掩模版修补等。FIB系统大体上可以分为3个主要部分:离子源、离子束聚焦/扫描系统包括离子分离部分和样品台。目前配有液态金属离子源的FIB系统已经广泛地应用于失效分析、工艺诊断、对亚微米器件的修补、为TEM冷热冲击试验箱制备样品、掩模版的修补、代替电子束、紫外线光刻进行光刻和离子注入等领域,大大提高了材料、工艺、器件分析及修补的精度和速度。
FIB技术的发展趋势是:聚焦离子束与扫描电子显微镜(FE-SEM)的组合,聚焦离子束与二次离子质谱仪(SIMS)的结合。
2.2.2一种新型的单引出端EBIC成像技术
扫描电镜的电子束感生电流(EBIC)成像模式被大量地应用于半导体器件的分析中,如检测半导体材料的特性和缺陷,以及晶体管和IC的结区、反型层、隔离区、扩散隐埋层的位置及形状等。
在传统的EBIC模式中,冷热冲击试验箱总是要把相应结的一端接到样品电流放大器上,另一端接到公共地上,让所产生的感生电流有一个回路通道才能显示、成像。如用新型的单引出端的电子束感生电流(SC-EBIC)成像方式,则可以同时显示出芯片中所有的结和反型层,即使是1 ̄2个远离衬底的结也能够被显现出来,可以弥补传统的EBIC的不足。
这是一种国外近年刚刚报道出来的、有效的新型检测技术,它对硬件设施的要求不高,一般在多数的扫描电镜中都能实现。而且它在失效分析中还显示出更多的优点,如有时会碰到所分析的样品中某个区的金属化条被烧毁、内引线断裂或键合脱焊等,造成开路而无法用传统的连接方式来做EBIC像,这时这种新型的连接方式就可派上用场、大显身手。不足之处是它的图像信噪比较差,调试难度较大,因而对电镜操作人员的素质要求也相应地高一些。冷热冲击试验箱
2.3新技术的可靠性研究现状
2.3.1多芯片组件(MCM)技术的可靠性研究
可靠性技术发展的另一个主题就是解决封装技术发展所带来的可靠性问题。MCM封装技术能使多个IC芯片紧密地安装在同一互连衬底上,具有小型化、轻量化、高性能、高可靠性以及良好的散热性等优点,可以大幅度地提高大型计算机、通讯设备、智能产品、汽车电子设备以及**、航天航空电子设备等电子产品的性能和可靠性,应用范围非常广泛,是所有的封装技术中发展*快的技术之一。可以这样说,下一代电子封装的关键就是如何有效地利用MCM技术的问题。
MCM的应用对可靠性的要求极高,尤其是用于航空航天等**领域的MCM更是必须通过一系列的加速寿命试验,如防潮、防盐雾、热冲击、热循环、恒温蒸煮、引线完好性及泄露试验等。由于MCM具有批量小、单件成本高、工艺要求高等特点,从而影响了传统可靠性研究方法的效果。冷热冲击试验箱另外,国外对MCM可靠性的研究尚在不断地发展与完善之中,经验较少;目前的做法是,各类机构联合进行**的、综合的研究,*典型的就是美国的先进封装应用可靠性(RELTECH)计划。目前,MCM产品中存在的可靠性问题主要是:MCM封装技术、MCM测试方法等。
2.3.2已知良好芯片(KGD)技术的可靠性研究
进入20世纪90年代后,冷热冲击试验箱由于MCM的出现及迅猛发展,使大量的、昂贵的、功能复杂的大规模或超大规模IC芯片都要被组装在一个壳体内,如果预先不进行老化筛选,封装后再进行老化筛选必然要淘汰部分不合格品,而个别芯片的失效就会使整个产品报废,这无疑会大大地增加电路成本。所以如何解决芯片级老化和测试问题就变得刻不容缓,KGD技术由此应运而生。它是指裸露或无封装的IC具有与传统封装芯片相同的质量或失效概率。是在所有裸芯片的应用(包括芯片规模封装CSP)中,能够减少费用、缩短周期以及提高产品可靠性的关键。
目前对KGD的需求非常旺盛。各大半导体企业对此技术更是一直很关注,他们根据宇航用、**、工业用和商业用等不同的市场需求,制定了不同的KGD工艺流程,以*低的成本来满足*大的市场需求,从而使裸芯片的试验和老练技术在过去的10年中明显地成熟起来。
2.3.3微电子机械系统(MEMS)冷热冲击试验箱的可靠性研究
近年来,MEMS已经从实验室的新奇之物变成了商业器件。MEMS技术要获得商业上的成功,可靠性是其关键的一环。而国外对此的研究也是刚刚开始,他们认为MEMS的可靠性非常重要:MEMS许多有前景的应用领域都是在失效会带来高昂代价的关键系统上;目前对MEMS失效机理的了解并不多;MEMS技术正处于快速发展阶段,各种可靠性问题的相对重要性会随时改变;进行设计的权衡时必须考虑可靠性,以免增加系统的保障维修费用。
MEMS极其微小,冷热冲击试验箱其活动部件只有一粒花粉那么大,目前已在许多设备上使用,如果能够证明它们具有高可靠性的话,将被大量地应用于宇航和**电子装备中2.3.3.1MEMS的可靠性问题
MEMS器件的可靠性问题并不是电学、材料和机械可靠性的简单组合。在同一块芯片上制造多个器件必然会带来更多的失效模式,跨领域的信号、各种干扰和物质的相互作用也会引发新的失效模式。MEMS主要的可靠性问题及其解决方法如下:
a)粘附这是阻碍MEMS发展的主要问题之一。对此,较为直接的解决方法就是提高多晶硅弹簧的层数,以减少脱离平面的运动;有些解决方法则需要多花一些力气,例如:在器件上涂覆一层自组合薄膜,以消除毛细管的反应。
b)激励器的操作磨损
虽然有些MEMS经过验证可操作数十亿的循环,冷热冲击试验箱但对滑动表面的腐蚀及其所产生的微粒污染物必须加以控制,才能实现MEMS的商业潜能。解决的方法包括:使用较硬的结构材料(如用钻石代替多晶硅);使用液态和固态润滑剂;优化器件设计和操作循环的频率。
c)封装
它是各种失效模式的焦点。由于封装的费用占MEMS产品总费用的50% ̄90%,因此,许多企业采取了各种方法,但到目前为止还没有规范化的解决方法。
2.3.3.2主要的失效模式和机理
目前发现的几个失效机理是导致MEMS失效的主要原因,包括:静摩擦和磨损造成的失效;分层剥离;环境引起的失效;冷热冲击试验箱循环机械疲劳;潮湿效应;封装。
2.3.4MEMS可靠性技术发展现状
了解MEMS可靠性和技术保证问题对于扩大其在高可靠性应用中的接受程度以及技术转让的商业化是很重要的。因为它仍然处于成长期,通常是为特定的应用而开发,可靠性要求的差异很大,经常取决于用户的要求。另外,对MEMS失效的模式还知之甚少;可用的可靠性工具和技术目前大部分都是借用IC的工具;可靠性模型很少,有关冷热冲击试验箱MEMS的可靠性数据还很缺乏,特别是缺乏目前行业共享的标准和可靠性数据。但是,尽管存在差异,对于有类似失效机理的器件,还是可以制定出用于评价鉴定和可靠性评估的类似通用方法。
美国桑迪亚国家实验室被公认为是这一新兴技术领域的先驱,它开发的独特技术可把复杂的机械系统和电子产品集成在一块芯片上。桑迪亚对MEMS的兴趣主要源于其在武器系统上的应用潜力,目前正在确定MEMS的可靠性。