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國外**電子元器件可靠性技術(shù)研究(二)

日期:2024-10-23 20:16
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摘要:
2.1.2光電子器件的試驗(yàn)技術(shù)與可靠性評定
光電子技術(shù)是電子技術(shù)的一個分支,用于**戰(zhàn)術(shù)及戰(zhàn)略系統(tǒng)的關(guān)鍵光電元器件有:激光器、焦平面陣列、放大器、檢測器、光器件、光纖以及低功耗顯示器件等。但是,由于鑒定光電子器件的可靠性是*近才開展起來的工作,與微電子器件相比,其技術(shù)還比較薄弱。
a)激光器的試驗(yàn)技術(shù)
激光器的試驗(yàn)技術(shù)包括:發(fā)射極的試驗(yàn)、非偏壓濕度和溫度試驗(yàn)、高溫老練、有源應(yīng)力試驗(yàn)和磨損劣化模式老練試驗(yàn)。

b)光電檢測器的試驗(yàn)技術(shù)
光電檢測器的試驗(yàn)技術(shù)包括:冷熱沖擊試驗(yàn)箱篩選試驗(yàn)、機(jī)械沖擊、恒定加速、氣密性密封、溫度循環(huán)、熱沖擊、高溫貯存、濕度儲存、可焊性等。
c)非氣密封裝AlGaAsLED的環(huán)境加速試驗(yàn)
由于發(fā)光二極管(LED)的使用環(huán)境變得越來越嚴(yán)酷,器件可靠性成為人們越來越關(guān)注的問題。實(shí)施非氣密封裝AlGaAsLED的環(huán)境加速試驗(yàn)研究的目的是為了測定AlGaAs/GaAsLED器件在不同的溫度、濕度和偏流條件下與塑料封裝相關(guān)聯(lián)的失效模式及其機(jī)理。
d)光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)
一些光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品正在接受試驗(yàn)。冷熱沖擊試驗(yàn)箱環(huán)境可靠性壽命試驗(yàn)有助于測定基本器件的設(shè)計(jì)、制造材料與工藝是否**,是否能夠提供合適的長期可靠性特性。例如:按照Telcordia標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)施試驗(yàn),以便對光纖材料與元件進(jìn)行可靠性表征與定量。

許多Telcordia規(guī)范所共用的可靠性試驗(yàn)程序包括高低溫貯存試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、循環(huán)的耐潮性試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)。
e)非氣密性激光模塊的高加速壽命試驗(yàn)
目前,以邊發(fā)射激光器為基的光電子器件的低成本、非氣密性封裝已開始投入市場。郎訊公司的非冷卻FabryPerot激光發(fā)射機(jī)封裝曾作為試樣,試驗(yàn)項(xiàng)目包括溫濕偏壓試驗(yàn)(THB)和腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明該器件有足夠的可靠性,可以滿足未來電信設(shè)備的使用要求。

2.2新的失效分析技術(shù)
近年來,能夠適應(yīng)IC技術(shù)發(fā)展需冷熱沖擊試驗(yàn)箱求的聚焦離子束(FIB)、反應(yīng)離子腐蝕(RIE)、電子束測試(EBT)、光發(fā)射顯微(EMM)、掃描聲學(xué)顯微(SAM)、掃描探針顯微(SPM)和熒光微熱像FMI)等新的失效分析技術(shù)在深亞微米器件的分析和微細(xì)加工等方面發(fā)揮了非常重要的作用。

2.2.1FIB技術(shù)
FIB是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種集形貌觀測、定位制樣、成份分析、薄膜淀積和刻蝕各過程于一身的新型分析和加工技術(shù)。它的**定位、顯微觀測和微細(xì)加工等功能使其在微電子領(lǐng)域中起著重要的作用,特別在亞微米、深亞微米級IC器件的設(shè)計(jì)和制造等方面有著廣泛的應(yīng)用,例如:微電子器件的剖面分析、透射電子顯微鏡(TEM)樣品制備、電路修改和器件的再加工、掩模版修補(bǔ)等。FIB系統(tǒng)大體上可以分為3個主要部分:離子源、離子束聚焦/掃描系統(tǒng)包括離子分離部分和樣品臺。目前配有液態(tài)金屬離子源的FIB系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于失效分析、工藝診斷、對亞微米器件的修補(bǔ)、為TEM冷熱沖擊試驗(yàn)箱制備樣品、掩模版的修補(bǔ)、代替電子束、紫外線光刻進(jìn)行光刻和離子注入等領(lǐng)域,大大提高了材料、工藝、器件分析及修補(bǔ)的精度和速度。
FIB技術(shù)的發(fā)展趨勢是:聚焦離子束與掃描電子顯微鏡(FE-SEM)的組合,聚焦離子束與二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)的結(jié)合。
2.2.2一種新型的單引出端EBIC成像技術(shù)
掃描電鏡的電子束感生電流(EBIC)成像模式被大量地應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的分析中,如檢測半導(dǎo)體材料的特性和缺陷,以及晶體管和IC的結(jié)區(qū)、反型層、隔離區(qū)、擴(kuò)散隱埋層的位置及形狀等。
在傳統(tǒng)的EBIC模式中,冷熱沖擊試驗(yàn)箱總是要把相應(yīng)結(jié)的一端接到樣品電流放大器上,另一端接到公共地上,讓所產(chǎn)生的感生電流有一個回路通道才能顯示、成像。如用新型的單引出端的電子束感生電流(SC-EBIC)成像方式,則可以同時(shí)顯示出芯片中所有的結(jié)和反型層,即使是1 ̄2個遠(yuǎn)離襯底的結(jié)也能夠被顯現(xiàn)出來,可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的EBIC的不足。
這是一種國外近年剛剛報(bào)道出來的、有效的新型檢測技術(shù),它對硬件設(shè)施的要求不高,一般在多數(shù)的掃描電鏡中都能實(shí)現(xiàn)。而且它在失效分析中還顯示出更多的優(yōu)點(diǎn),如有時(shí)會碰到所分析的樣品中某個區(qū)的金屬化條被燒毀、內(nèi)引線斷裂或鍵合脫焊等,造成開路而無法用傳統(tǒng)的連接方式來做EBIC像,這時(shí)這種新型的連接方式就可派上用場、大顯身手。不足之處是它的圖像信噪比較差,調(diào)試難度較大,因而對電鏡操作人員的素質(zhì)要求也相應(yīng)地高一些。冷熱沖擊試驗(yàn)箱

2.3新技術(shù)的可靠性研究現(xiàn)狀
2.3.1多芯片組件(MCM)技術(shù)的可靠性研究
可靠性技術(shù)發(fā)展的另一個主題就是解決封裝技術(shù)發(fā)展所帶來的可靠性問題。MCM封裝技術(shù)能使多個IC芯片緊密地安裝在同一互連襯底上,具有小型化、輕量化、高性能、高可靠性以及良好的散熱性等優(yōu)點(diǎn),可以大幅度地提高大型計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、智能產(chǎn)品、汽車電子設(shè)備以及**、航天航空電子設(shè)備等電子產(chǎn)品的性能和可靠性,應(yīng)用范圍非常廣泛,是所有的封裝技術(shù)中發(fā)展*快的技術(shù)之一??梢赃@樣說,下一代電子封裝的關(guān)鍵就是如何有效地利用MCM技術(shù)的問題。
MCM的應(yīng)用對可靠性的要求極高,尤其是用于航空航天等**領(lǐng)域的MCM更是必須通過一系列的加速壽命試驗(yàn),如防潮、防鹽霧、熱沖擊、熱循環(huán)、恒溫蒸煮、引線完好性及泄露試驗(yàn)等。由于MCM具有批量小、單件成本高、工藝要求高等特點(diǎn),從而影響了傳統(tǒng)可靠性研究方法的效果。冷熱沖擊試驗(yàn)箱另外,國外對MCM可靠性的研究尚在不斷地發(fā)展與完善之中,經(jīng)驗(yàn)較少;目前的做法是,各類機(jī)構(gòu)聯(lián)合進(jìn)行**的、綜合的研究,*典型的就是美國的先進(jìn)封裝應(yīng)用可靠性(RELTECH)計(jì)劃。目前,MCM產(chǎn)品中存在的可靠性問題主要是:MCM封裝技術(shù)、MCM測試方法等。
2.3.2已知良好芯片(KGD)技術(shù)的可靠性研究
進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,冷熱沖擊試驗(yàn)箱由于MCM的出現(xiàn)及迅猛發(fā)展,使大量的、昂貴的、功能復(fù)雜的大規(guī)?;虺笠?guī)模IC芯片都要被組裝在一個殼體內(nèi),如果預(yù)先不進(jìn)行老化篩選,封裝后再進(jìn)行老化篩選必然要淘汰部分不合格品,而個別芯片的失效就會使整個產(chǎn)品報(bào)廢,這無疑會大大地增加電路成本。所以如何解決芯片級老化和測試問題就變得刻不容緩,KGD技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。它是指裸露或無封裝的IC具有與傳統(tǒng)封裝芯片相同的質(zhì)量或失效概率。是在所有裸芯片的應(yīng)用(包括芯片規(guī)模封裝CSP)中,能夠減少費(fèi)用、縮短周期以及提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。
目前對KGD的需求非常旺盛。各大半導(dǎo)體公司對此技術(shù)更是一直很關(guān)注,他們根據(jù)宇航用、**、工業(yè)用和商業(yè)用等不同的市場需求,制定了不同的KGD工藝流程,以*低的成本來滿足*大的市場需求,從而使裸芯片的試驗(yàn)和老練技術(shù)在過去的10年中明顯地成熟起來。
2.3.3微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)冷熱沖擊試驗(yàn)箱的可靠性研究
近年來,MEMS已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室的新奇之物變成了商業(yè)器件。MEMS技術(shù)要獲得商業(yè)上的成功,可靠性是其關(guān)鍵的一環(huán)。而國外對此的研究也是剛剛開始,他們認(rèn)為MEMS的可靠性非常重要:MEMS許多有前景的應(yīng)用領(lǐng)域都是在失效會帶來高昂代價(jià)的關(guān)鍵系統(tǒng)上;目前對MEMS失效機(jī)理的了解并不多;MEMS技術(shù)正處于快速發(fā)展階段,各種可靠性問題的相對重要性會隨時(shí)改變;進(jìn)行設(shè)計(jì)的權(quán)衡時(shí)必須考慮可靠性,以免增加系統(tǒng)的保障維修費(fèi)用。

MEMS極其微小,冷熱沖擊試驗(yàn)箱其活動部件只有一粒花粉那么大,目前已在許多設(shè)備上使用,如果能夠證明它們具有高可靠性的話,將被大量地應(yīng)用于宇航和**電子裝備中2.3.3.1MEMS的可靠性問題
MEMS器件的可靠性問題并不是電學(xué)、材料和機(jī)械可靠性的簡單組合。在同一塊芯片上制造多個器件必然會帶來更多的失效模式,跨領(lǐng)域的信號、各種干擾和物質(zhì)的相互作用也會引發(fā)新的失效模式。MEMS主要的可靠性問題及其解決方法如下:
a)粘附這是阻礙MEMS發(fā)展的主要問題之一。對此,較為直接的解決方法就是提高多晶硅彈簧的層數(shù),以減少脫離平面的運(yùn)動;有些解決方法則需要多花一些力氣,例如:在器件上涂覆一層自組合薄膜,以消除毛細(xì)管的反應(yīng)。
b)激勵器的操作磨損
雖然有些MEMS經(jīng)過驗(yàn)證可操作數(shù)十億的循環(huán),冷熱沖擊試驗(yàn)箱但對滑動表面的腐蝕及其所產(chǎn)生的微粒污染物必須加以控制,才能實(shí)現(xiàn)MEMS的商業(yè)潛能。解決的方法包括:使用較硬的結(jié)構(gòu)材料(如用鉆石代替多晶硅);使用液態(tài)和固態(tài)潤滑劑;優(yōu)化器件設(shè)計(jì)和操作循環(huán)的頻率。
c)封裝
它是各種失效模式的焦點(diǎn)。由于封裝的費(fèi)用占MEMS產(chǎn)品總費(fèi)用的50% ̄90%,因此,許多公司采取了各種方法,但到目前為止還沒有規(guī)范化的解決方法。
2.3.3.2主要的失效模式和機(jī)理
目前發(fā)現(xiàn)的幾個失效機(jī)理是導(dǎo)致MEMS失效的主要原因,包括:靜摩擦和磨損造成的失效;分層剝離;環(huán)境引起的失效;冷熱沖擊試驗(yàn)箱循環(huán)機(jī)械疲勞;潮濕效應(yīng);封裝。

2.3.4MEMS可靠性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
了解MEMS可靠性和技術(shù)保證問題對于擴(kuò)大其在高可靠性應(yīng)用中的接受程度以及技術(shù)轉(zhuǎn)讓的商業(yè)化是很重要的。因?yàn)樗匀惶幱诔砷L期,通常是為特定的應(yīng)用而開發(fā),可靠性要求的差異很大,經(jīng)常取決于用戶的要求。另外,對MEMS失效的模式還知之甚少;可用的可靠性工具和技術(shù)目前大部分都是借用IC的工具;可靠性模型很少,有關(guān)冷熱沖擊試驗(yàn)箱MEMS的可靠性數(shù)據(jù)還很缺乏,特別是缺乏目前行業(yè)共享的標(biāo)準(zhǔn)和可靠性數(shù)據(jù)。但是,盡管存在差異,對于有類似失效機(jī)理的器件,還是可以制定出用于評價(jià)鑒定和可靠性評估的類似通用方法。
美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室被公認(rèn)為是這一新興技術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū),它開發(fā)的獨(dú)特技術(shù)可把復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)和電子產(chǎn)品集成在一塊芯片上。桑迪亞對MEMS的興趣主要源于其在武器系統(tǒng)上的應(yīng)用潛力,目前正在確定MEMS的可靠性。

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