電子知識:半導體器件鑒定試驗技術(shù)的研究

1 引言 　　

　　眾所周知，可靠性鑒定工作對保證半導體器件質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要，無(wú)論是新品研制，還是成熟產(chǎn)品（老品）生產(chǎn)，無(wú)不以鑒定試驗作為檢驗其質(zhì)量和可靠性的重要手段。不考慮抗輻照性能的鑒定試驗，半導體器件鑒定工作共有各類(lèi)試驗20余組，需要樣品100余個(gè)?？疾閮热莅▔勖?、耐各種惡劣環(huán)境能力等反映半導體器件質(zhì)量和可靠性的所有指標。

　　鑒定試驗不僅對半導體器件質(zhì)量，對半導體器件生產(chǎn)方提出了高要求，也對試驗方，即鑒定方同樣提出了高要求。半導體領(lǐng)域長(cháng)期對前者十分重視，投入了大量人力、物力進(jìn)行研究，然而對試驗技術(shù)方面的研究，相對容易被忽視，研究成果相對缺乏，某些領(lǐng)域甚至接近空白。

　　由于試驗的錯誤，將不合格批次判為合格，造成不良后果的實(shí)例目前較少。而由于試驗的錯誤，特別由于試驗組數目眾多，大部分LTPD判據又采用" 零失效"（指試驗中如有一個(gè)被試件失效，即判該產(chǎn)品不合格）的情況下，在百余個(gè)樣品中只要誤判一個(gè)器件，必然將整批器件判為"死刑"。這不僅會(huì )給器件的生產(chǎn)方造成不該有的巨大經(jīng)濟損失，還常常會(huì )影響半導體器件使用方的工作進(jìn)度。這種試驗錯誤的實(shí)例很多，例如誤將壓力表的表壓作為絕對大氣壓，從而加嚴了檢漏判據，這樣的"低級"錯誤經(jīng)調查存在于相當多的鑒定試驗中。

　　由于生產(chǎn)方相對于鑒定方是"弱勢"群體，一般難以檢查"考官"的試驗技術(shù)細節，因此對半導體鑒定試驗技術(shù)的研究刻不容緩，必須引起有關(guān)領(lǐng)導部門(mén)和半導體器件質(zhì)量鑒定領(lǐng)域的足夠重視。

　　本文探討的是半導體器件鑒定試驗中的正弦振動(dòng)試驗技術(shù)，并且認為，振動(dòng)夾具的正確設計對保證振動(dòng)試驗正確的重要性。

2 一起誤判的鑒定試驗案例

　　某廠(chǎng)（以下稱(chēng)甲廠(chǎng)）生產(chǎn)的一新品由某檢測中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)檢測中心）負責鑒定檢驗。對正弦掃頻振動(dòng)試驗，由于是新品，按常規采用甲廠(chǎng)檢定計量合格的振動(dòng)臺及甲廠(chǎng)設計的與振動(dòng)臺及新品配套的夾具，由檢測中心監督試驗。正弦掃頻振動(dòng)的試驗中，試驗頻率為20～3000Hz；振動(dòng)加速度為20g；掃頻時(shí)間共48min。

　　試驗后，氣密性檢查顯示有兩個(gè)被試件因大漏（氣）而"不合格"。由于振動(dòng)臺、夾具都是甲廠(chǎng)的，且由該廠(chǎng)人員操作，因此甲廠(chǎng)對試驗結果毫無(wú)異議，準備改進(jìn)設計重新投產(chǎn)。如是誤判，顯然這樣作不僅遭受巨大的經(jīng)濟損失，還要承受拖延研制進(jìn)度的不良聲譽(yù)，且錯誤試驗結論引導的"改進(jìn)設計"的方向也難以正確。

　　應該說(shuō)，檢測中心已經(jīng)完成了任務(wù)，但工作人員根據振動(dòng)夾具的設計知識，曾在試驗前懷疑該夾具有可能引起共振，并向甲廠(chǎng)提出，可甲廠(chǎng)設計人員當時(shí)沒(méi)有對夾具作進(jìn)一步測試。

　　甲廠(chǎng)夾具結構主要有以下兩個(gè)疑點(diǎn)：

　?。?）振動(dòng)夾具由平行于振動(dòng)臺面的一塊正方形基板和一塊垂直于振動(dòng)臺面的П型主板以及一根矩形水平梁三部分組成，通過(guò)水平梁用螺桿螺接。其中П型板采用兩側焊接，焊縫很長(cháng)，重心很高，這樣的結構，很易產(chǎn)生共振。

　?。?）該夾具組合系統總重量是664g，樣品重量為532g，二者之比接近1，樣品對夾具影響大，即使夾具設計合理，也難以保證被試件處于正確的試驗應力。

　　為保證鑒定試驗正確，檢測中心對甲廠(chǎng)的夾具測試其振動(dòng)響應曲線(xiàn)，測試結果如圖1所示。

　　從圖1明顯看出，甲廠(chǎng)設計的夾具在試驗頻率（20～3000Hz）范圍內確實(shí)多次發(fā)生了共振，從而使施加于被試樣品上的實(shí)際應力遠遠大于標準規定值。由此得出的不合格結論顯然有失公允。

　　甲廠(chǎng)按檢測中心的設計重新加工了夾具，夾具重約3千克，克服了甲廠(chǎng)夾具結構的各類(lèi)缺點(diǎn)。測試的振動(dòng)響應曲線(xiàn)顯示，在標準規定的振動(dòng)頻率范圍內，不出現共振和隔振現象，采用新夾具重新試驗，無(wú)一失效。

　　從式（2）可得，（a）當fA=f，則|T|＝∞，即發(fā)生了共振，被試件上承受的應力遠遠大于規定值；（b）當fA<

　　工作點(diǎn)施加于被試件的應力和規定值嚴格相等，這顯然是最佳工作點(diǎn)，但實(shí)際是難以實(shí)現的，一般都有一定差異，如要求誤差小于10％,即1.1>|T|>0.9，則可從式（2）解得。fA必須滿(mǎn)足下述兩個(gè)條件中的一個(gè)。

　　如考慮阻尼ξ，并不影響上述定性結論，但對fA的要求隨阻尼ξ的增加而相應放松，這從圖3中顯示得十分清楚。

　　借助fA和ξ的定義，從式（3）和式（4）確定力學(xué)系統簡(jiǎn)化模型的彈簧k、阻尼c和質(zhì)量塊m的選取范圍，也就可以設計出合用的夾具。當然，實(shí)際夾具的設計還有一些需要注意的原則，如夾具和被試件的重量比應有一個(gè)較佳的比值，即4.7，夾具的重心應盡量低，盡量和振動(dòng)臺臺面的重心靠近[4]等。這些規定的推導較為復雜，設計時(shí)可以參閱有關(guān)資料。

3 夾具是試驗正確的重要因素

　　這里對夾具的討論分析有兩點(diǎn)說(shuō)明：（1）鑒定檢驗中需使用夾具的不只在振動(dòng)試驗中，在其他必須使用夾具的試驗中夾具同樣對試驗正確起重要作用，也必須重視。（2）本文限于篇幅，并考慮到半導體器件工作者的專(zhuān)業(yè)范圍和需要，對夾具設計原則和設計技術(shù)只作簡(jiǎn)要討論，以圖引起重視和指明研究思路。深入涉及機械力學(xué)領(lǐng)域的理論和資料可參閱文獻[1～3]。

　　3.1 振動(dòng)夾具的基本要求

　　簡(jiǎn)單說(shuō)，夾具應使被試件受到的應力和標準規定的相一致，即應避免出現顯著(zhù)增加應力的共振，也應當避免使被試件所受應力顯著(zhù)減小而出現"隔振"現象。

　　3.2 簡(jiǎn)化的力學(xué)模型

　　為便于討論，將振動(dòng)系統簡(jiǎn)化成如圖2所示的力學(xué)系統。該系統由一個(gè)彈簧k、一個(gè)阻尼c和一個(gè)由夾具、動(dòng)圈、樣品等合成的質(zhì)量塊m組成。設（振動(dòng)臺）輸入激勵振動(dòng)頻率為f，輸入信號的振幅為x1，該力學(xué)系統固有頻率fA為[1]

　　質(zhì)量塊的響應振幅定義為x2。而輸出振幅和輸入振幅之比，即傳遞率|T|為

　　|T|=x2/x1

　　3.3 傳遞率曲線(xiàn)

　　所謂傳遞率曲線(xiàn)即為傳遞率|T|隨振動(dòng)頻率f的變化曲線(xiàn)。理論推導可得傳遞率的絕對值|T|為[1]

　　對式（1）進(jìn)行定量分析。首先忽略阻尼ξ，令ξ=0，則式（1）簡(jiǎn)化為

　　3.4 夾具振動(dòng)響應曲線(xiàn)的測試

　　經(jīng)過(guò)理論分析設計的夾具能大大減少盲目設計的工作量。但由于實(shí)際情況更為復雜，對新設計的夾具仍必須作嚴格的振動(dòng)響應曲線(xiàn)的測試。

4 結束語(yǔ)

　　使用設計合理、經(jīng)過(guò)振動(dòng)響應曲線(xiàn)嚴格檢測的夾具是保證振動(dòng)試驗正確的重要環(huán)節之一。以前在半導體器件生產(chǎn)和質(zhì)量鑒定領(lǐng)域，對夾具設計技術(shù)的研究工作相對薄弱，錯誤的設計有可能使鑒定試驗的結果偏離真實(shí)結果。

　　這一案例說(shuō)明，在保證半導體器件質(zhì)量和可靠性工作中，半導體器件的鑒定試驗技術(shù)的研究和半導體器件的設計、工藝的研究同樣重要。這個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的深入研究不僅對鑒定試驗機構重要，對半導體器件研究和生產(chǎn)領(lǐng)域也是非常重要的。