2. Отказ. Виды отказов. Дефекты.
Вторым фундаментальным понятием теории надежности является понятие отказа.
«Отказ - это событие, после возникновения которого изделие утрачивает способность выполнять заданные функции». Отказы по [2] классифицируют по следующим признакам:
* по степени влияния на работоспособность изделия (полные и неполные);
* по физическому характеру непосредственного проявления (катастрофические (внезапные) и параметрические));
* по связи с другими отказами (зависимые и независимые);
* по времени существования (устойчивые (необратимые), временные (обратимые, устранимые) и перемежающиеся (мерцающие)).
Основным является разделение отказов на внезапные и постепенные.
Внезапным отказом НАЗЫВАЕТСЯ ТАКОЙ ОТКАЗ, КОТОРЫЙ ВОЗНИКАЕТ В РЕЗУЛЬТАТЕ СКАЧКООБРАЗНОГОИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗДЕЛИЯ.
Постепенный отказ - это отказ, возникший в результате постепенного изменения характеристик изделия. Отказ вспомогательных элементов, не влияющих на надежность, называют второстепенной неисправностью.Второстепенные неисправности подразделяют на дефекты и неисправности. Дефектами называются неисправности, которые в момент их обнаружения не приводят к повреждению или нарушению работы и регулировке прибора, но могут в будущем вызвать подобные явления.
Неполадками называются неисправности в работе прибора, не оказывающие влияние на выполнение им основных функций.
Отказы полупроводниковых приборов (ППП) по [3] по их внешним проявлениям разделяются на короткие замыкания, обрывы и изменения параметров. Первые два типа отказов относятся к «катастрофическим», последний - к «деградационным» отказам.
Основным механизмом коротких замыканий в ППП-структурах является теплоэлектрический пробой, который условно делится на три стадии:
* Электрический пробой, т.е. туннельный либо лавинный. Первая стадия считается обратимой;
* «Второй пробой» - стадия мощного, резкого увеличения тока через ППП, что приводит к сильному локальному разогреву одного из участков ППП;
* Необратимая трансформация ППП за счет сильного локального разогрева, протекающим через ППП электрическим током. Образуется либо проплавленные структуры, либо обрыв внутреннего соединительного проводника, либо образование проводящего канала между разными структурами ППП.
Перечислимосновные дефекты, приводящие к короткому замыканию в результате теплоэлектрического пробоя:
· плохое (неполное)соединение кристалла с корпусом;
· неравномерное распределение тока в структуре. Сравнительно редко короткие замыкания возникают в результате случайного попадания внутрь корпуса ППП токопроводящих частиц. Замыкания электродов структуры с кристаллом возникают иногда из-за провисания внутренних проводников вследствие их избыточной длины.
Основными механизмами обрывовв цепях электродов ППП являются следующие:
· механические разрушения соединений кристалла с корпусом или сварных соединений внутренних проводников с другими элементами конструкций при воздействии вибрации, ударов, больших линейных ускорений;
· химические и электрохимические разрушения соединений и металлических пленок;
· рост интерметаллической базы в местах соединения разных металлов и «расслоение» структуры. Специфические обрывы возникают иногда вследствие значительных напряжений в проводниках прибора, залитых пластмассой. Температурные коэффициенты линейного расширения металла проводника и пластмассы различны, из-за чего при больших изменениях температуры на Т в проводнике возникает достаточное напряжение
где Е - модель упругости проволоки,
- температурные коэффициенты расширения пластмассы и проводника.
Часто обрывы по этой причине оказываются перемежающимися и проявляются вблизи некоторой критической температуры.
В планарных ППП обрывы могут возникать из-за дефектов алюминиевой металлизации токопроводящих дорожек и контактных площадок.
Основными механизмами отказов при изменении и нестабильности характеристик ППП являются генерация и перемещение электрических зарядов на поверхности кристалла ППП, что ведет к изменению концентрации подвижных носителей рекомбинации. Некоторые причины появления и движения поверхностных зарядов следующие:
· появление ионов на поверхности кристалла. Зависит от способа обработки кристалла, влажности и свойств окружающей среды. Общим свойством зарядов этого типа является их предрасположенность к «расползанию» по поверхности, а скорость расползания зависит от значения поверхностного сопротивления и удельной емкости диэлектрического слоя относительно полупроводника. Само поверхностное сопротивление сильно зависит от температуры и влажности и время расползания рядов уменьшается с ростом температуры и влажности
· появление заряда, образованного ионами внутри пленки окисла. Как правило, даже при тщательно разработанном техпроцессе, всегда имеются положительные ионы натрия, которые перемещаются при высоких температурах (100-200оС) и наличии притягивающего электрического поля к границе кремний-окисел. Для защиты от перемещения ионов натрия, в окисле создают тонкую пленку фосфорно-силикатного стекла (SiO2*P2O5), которая захватывает эти ионы. Кроме ионов натрия внутри пленки окисла могут перемещаться и ионы других элементов (так, ионы золота создают отрицательный заряд). Надо отметить, что при перемещении ионов имеет значение направление поля, поэтому при перемене направления поля ионы двигаются в противоположную сторону, поэтому этот процесс считается обратимым;
· появления заряда, образованного избыточными атомами кремния в окисле около границы с кристаллом. Из-за того, что атомы кремния находятся в избытке при механизме образования окисла кремния, образуется положительный заряд, созданный оставшимися атомами кремния. При нормальной температуре этот заряд практически неподвижен, при очень высокой температуре и наличии сильного поля этот заряд перемещается в направлении к внешней поверхности окисла пленки (SiO2);
· появление заряда, образованного е, находящимися на поверхностных уровнях. При обрыве кристаллической решетки на границе появляются атомы полупроводника с нарушенными электронными связями, т.е. е занимают энергетические (поверхностные) состояния, лежащие внутри запрещенной зоны энергий для данного полупроводника. Из-за этого е с такой энергией не могут проникать в глубь кристалла и остаются только вблизи поверхности. При заполнении и освобождении соответствующих энергетических состояний носители заряда - е и дырками возникают и исчезают поверхностные заряды. Чем дальше от полупроводника локализован поверхностный энергетический уровень, тем больше время его заполнения или освобождения. Этот процесс вызывает, с одной стороны, низкочастотный (НЧ) шум и является причиной нестабильности основных параметров ППП;
· появление и образование каналов проводимости вдоль поверхности кристалла. Этот процесс, как правило, приводит к изменению коэффициента усиления в биполярных транзисторах и изменению многих характеристик полевых транзисторов (ток инжекции и «паразитного» перехода снижает эффективность эмиттера дополнительный обратный ток или ток через канал уменьшает усиление и крутизну транзисторов в режиме малых токов).
Эксперименты многих исследователей показали существенные изменения параметров ППП в процессе испытаний, если к переходам ППП приложено большое напряжение в комбинации с высокой температурой окружающей среды. Было доказано, что при таких напряжениях в электрическом поле происходит разделение и группировка положительных и отрицательных ионов на поверхности, дрейф этих ионов по направлению к электродам, имеющим соответствующий знак заряда. Было доказано, что эти процессы являются источником НЧ шума и ответственны за изменение основных параметров ППП во времени.
3. Обзор неразрушающих методов испытания
элементов РЭА.
Наиболее частой причиной, по мнению многих специалистов, снижающей качество готовой продукции являются скрытые дефекты и важную роль в проблеме повышения качества и надежности изделий электронной техники (ИТЭ) отводят неразрушающим испытаниям (НРИ) - дефектологии, науке о принципах, методах и средствах обнаружения дефектов.
Для контроля дефектов в ИТЭ разделяют две группы НРИ. Первую группу составляют методы интегральной диагностики, наиболее эффективными из них являются методы, основанные на измерении шумовых характеристик, в том числе электрических и акустических шумов. Вторую группу составляют методы локальной диагностики. В настоящее время для контроля ИЭТ применяются общие и специальные методы НРИ. К общим относятся: визуальный контроль, испытание давлением, акустическая и магнитная дефектоскопия, метод капиллярной дефектоскопии, радиография и метод вихревых токов.
К специфическим методам НРИ относятся: рентгеновские, голографические, тепловые, оптические и электрические методы.
Визуальный контроль наиболее широко распространенный метод НРИ. Используется для исследования поверхностных характеристик (повреждения, посторонние включения, расположение элементов и пр.). Метод прост, требует малых затрат времени и недорог [3].
При испытании давлением дефекты обнаруживаются по проникновению газов или жидкости в полости дефектов или через эти дефекты [3].
Под акустическими испытаниями понимают звуковые и ультразвуковые испытания. Наиболее широко используется ультразвуковая спектроскопия. Метод основан на использовании явлений, связанных с дифракцией света. Метод звуковой спектроскопии используется для формирования изображения путем сканирования эхоимпульсом. Недостатком является то, что объекты контроля сравнимы по размерам с пределами разрешения, из-за чего, как правило, получается некачественное изображение. Также, большинство объектов контроля взаимодействует с ультразвуком сложным образом, из-за чего полученные изображения нуждаются в дополнительной расшифровке. [3], [6]