Типовые отказы транзисторов

Прежде чем перейти к рассмотрению вопросов, связанных с отказами транзисторов, целе­сообразно сказать несколько слов о том, что следует понимать под отказавшими приборами. Помимо ката­строфических отказов, т. е. приборов совершенно нера­ботоспособных среди отказавших различают еще рабо­тоспособные приборы и приборы, условно потерявшие работоспособность. Первые из них — это такие прибо­ры, которые вполне могут выполнять свое функциональ­ное назначение, но у которых один или несколько пара­метров не укладываются в нормы технических условий. Вторые — это приборы, которые в принципе могут вы­полнять свое функциональное назначение, но у кото­рых один или несколько основных параметров в такой степени не соответствуют нор­мам, что практическое применение приборов в устройст­ве становится нецелесообразным.

В соответствии с этим различают катастрофические отказы, в результате которых прибор полностью теряет работоспособность, и деградационные отказы, в резуль­тате которых прибор может или условно потерять ра­ботоспособность, или сохранить ее, но параметры его при этом выйдут за пределы, оговоренные нормами тех­нических условий. Если деградационные отказы проис­ходят у изготовителя (например, во время технологиче­ских или квалификационных испытаний) или на вход­ном контроле, они всегда будут замечены. Если же при­бор установлен в аппаратуру и произойдет такого рода отказ, то вполне вероятно, что он никак себя не проявит и аппаратура останется работоспособной. В дальнейшем этот отказ может привести к катастрофическому или к условной потере работоспособности. Для транзисторов, как показывает практика, катастрофиче­ские отказы происходят чаще, чем деградационные.

1. Рассмотрим основные виды катастрофических отка­зов транзисторов. Прежде всего, это от­казы, связанные с разрушением конструкции прибора. К таким отказам относятся: обрыв внешних ленточных выводов (как правило, речь идет об их отрыве от кера­мического основания), разрушение керамического осно­вания, отделение этого основания от фланца, обрыв внутренних выводов (обычно в местах их присоедине­ния к кристаллу или ножке), перегорание внутренних выводов, отделение кристалла от основания, разрушение кристалла, электрический или тепловой пробой элек­тронно-дырочных переходов. В современных многоструктурных приборах может быть не один, а большое число внутренних эмиттерных и базовых выводов. При обрыве одного-двух из них от­каза не произойдет. Если же произойдут обрыв или пе­регорание значительной доли этих выводов в приборе, работающем в аппаратуре, то вслед за этим, как пра­вило, разовьются явления, которые приведут к его про­бою. Пробой переходов как электрический, так и тепло­вой всегда сопровождается явлениями, приводящими к разрушению кристалла. Кристалл может локально проплавиться вследствие теплового пробоя или под дейст­вием электрического пробоя может разрушиться кри­сталлическая решетка в микроскопической по размерам области, которую впоследствии трудно обнаружить. В этом смысле разрушение кристалла при пробое отли­чается от тех разрушений, которые, например, вызыва­ются механическими напряжениями и которые легко об­наруживаются. Отделение крышечки, герметизирующей прибор, не приводит ни к полной, ни к условной потере работоспо­собности транзистора, но его принято считать катастро­фическим отказом, так как конструкция прибора при этом разрушается. В принципе такое отделение крышеч­ки может стать причиной деградационного, а затем и ка­тастрофического отказа прибора.

2. Рассмотрим основные виды деградационных отка­зов. Прежде всего, к таким отказам относят уход за гра­ницу норм технических условий статических параметров транзисторов, определяющих качество их переходов. Иначе говоря, речь идет об увеличении обратных токов и о снижении пробивных напряжений. Вполне реальными видами деградационных отказов транзисторов являются уход за нормы технических усло­вий или значительное изменение статических па­раметров. Такие параметры, как емкости переходов, не могут претерпевать постепенных деградационных изменений. Что касается основных параметров: отдаваемой мощности, коэффициента усиления по мощности Kур, коэффициентов комбинационных частот Mz, и Ms и ко­эффициента полезного действия, — то они могут меняться, выходя за нормы технических условий.

Рассмотренные виды и возможные причины отказов транзисторов, безусловно, могут влиять на надежность работы этих приборов. Основной путь повы­шения надежности транзистора — это устранение всех рассмотренных причин отказов или уменьшение вероят­ности их возникновения.

Конкретным примером типового отказа можно привести пример исследований компании Semelab. Как и говорилось ранее обычные транзисторы при испытаниях в критических температурных условиях (квалификационные тесты при температурах от -50 до +150 градусов Цельсия) выходят из строя задолго до завершения комплекса тестирования. Испытания включают в себя 1500 циклов, и все отказы транзисторов произошли за первые 250. Рентгенограмма тестируемого транзистора показывает образование пустот и расслоение подложки на месте крепления кристалла. Серьезная опасность здесь заключается в том, что некоторые транзисторы могут пройти электрические тесты низкого уровня даже при таком расслоении, когда они уже повреждены. Элементы транзистора нагреваются по-разному, и из-за их различных температурных коэффициентов расширения (ТКР) смещаются относительно друг друга, при этом происходят разрывы контактов и расслоение подложки. Детальные исследования, доказывают, что обычный корпус транзистора никогда не обеспечит той надежности, которая требуется, например, в современных системах летательных аппаратов.

Соответственно, было принято решение изготовить структуру с совпадающими температурными характеристиками. Была отобрана силуминовая матрица – пластина на основе Al-Si с подложкой из нитрида алюминия AlN с одинаковыми температурными коэффициентами расширения. Для повышения надежности соединения проводников в нижней части использовано специальное защитное покрытие. Компаунд также подобран с учетом требуемого ТКР.

В результате надежность системы достигла требуемого уровня. Новый транзистор успешно прошел все 1500 циклов тестирования. Жесткий военный стандарт Military (MIL) требует, чтобы по завершении всех тестов общая площадь нарушенной структуры кристалла не превышала более 50% его площади. В нашем транзисторе ее доля оказалась менее 1%. На Рис.1 показаны рентгенограммы обычного и нового транзистора после проведения тестов.