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國外**電子元器件可靠性技術研究(二)

日期:2024-09-02 04:18
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摘要:
2.1.2光電子器件的試驗技術與可靠性評定
光電子技術是電子技術的一個分支,用于**戰術及戰略系統的關鍵光電元器件有: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,其技術還比較薄弱。
a)激光器的試驗技術
激光器的試驗技術包括:發射極的試驗、非偏壓濕度和溫度試驗、高溫老練、有源應力試驗和磨損劣化模式老練試驗。

b)光電檢測器的試驗技術
光電檢測器的試驗技術包括:冷熱沖擊試驗箱篩選試驗、機械沖擊、恒定加速、氣密性密封、溫度循環、熱沖擊、高溫貯存、濕度儲存、可焊性等。
c)非氣密封裝AlGaAsLED的環境加速試驗
由于發光二極管(LED)的使用環境變得越來越嚴酷,器件可靠性成為人們越來越關注的問題。實施非氣密封裝AlGaAsLED的環境加速試驗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聯的失效模式及其機理。
d)光纖網絡產品的環境試驗
一些光纖網絡產品正在接受試驗。冷熱沖擊試驗箱環境可靠性壽命試驗有助于測定基本器件的設計、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標準來實施試驗,以便對光纖材料與元件進行可靠性表征與定量。

許多Telcordia規范所共用的可靠性試驗程序包括高低溫貯存試驗、溫度循環試驗、濕熱試驗、循環的耐潮性試驗和溫度沖擊試驗。
e)非氣密性激光模塊的高加速壽命試驗
目前,以邊發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激光發射機封裝曾作為試樣,試驗項目包括溫濕偏壓試驗(THB)和腐蝕試驗。結果表明該器件有足夠的可靠性,可以滿足未來電信設備的使用要求。

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

2.2.1FIB技術
FIB是20世紀90年代發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。它的**定位、顯微觀測和微細加工等功能使其在微電子領域中起著重要的作用,特別在亞微米、深亞微米級IC器件的設計和制造等方面有著廣泛的應用,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、掩模版修補等。FIB系統大體上可以分為3個主要部分:離子源、離子束聚焦/掃描系統包括離子分離部分和樣品臺。目前配有液態金屬離子源的FIB系統已經廣泛地應用于失效分析、工藝診斷、對亞微米器件的修補、為TEM冷熱沖擊試驗箱制備樣品、掩模版的修補、代替電子束、紫外線光刻進行光刻和離子注入等領域,大大提高了材料、工藝、器件分析及修補的精度和速度。
FIB技術的發展趨勢是: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譜儀(SIMS)的結合。
2.2.2一種新型的單引出端EBIC成像技術
掃描電鏡的電子束感生電流(EBIC)成像模式被大量地應用于半導體器件的分析中,如檢測半導體材料的特性和缺陷,以及晶體管和IC的結區、反型層、隔離區、擴散隱埋層的位置及形狀等。
在傳統的EBIC模式中,冷熱沖擊試驗箱總是要把相應結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,則可以同時顯示出芯片中所有的結和反型層,即使是1 ̄2個遠離襯底的結也能夠被顯現出來,可以彌補傳統的EBIC的不足。
這是一種國外近年剛剛報道出來的、有效的新型檢測技術,它對硬件設施的要求不高,一般在多數的掃描電鏡中都能實現。而且它在失效分析中還顯示出更多的優點,如有時會碰到所分析的樣品中某個區的金屬化條被燒毀、內引線斷裂或鍵合脫焊等,造成開路而無法用傳統的連接方式來做EBIC像,這時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,調試難度較大,因而對電鏡操作人員的素質要求也相應地高一些。冷熱沖擊試驗箱

2.3新技術的可靠性研究現狀
2.3.1多芯片組件(MCM)技術的可靠性研究
可靠性技術發展的另一個主題就是解決封裝技術發展所帶來的可靠性問題。MCM封裝技術能使多個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點,可以大幅度地提高大型計算機、通訊設備、智能產品、汽車電子設備以及**、航天航空電子設備等電子產品的性能和可靠性,應用范圍非常廣泛,是所有的封裝技術中發展*快的技術之一。可以這樣說,下一代電子封裝的關鍵就是如何有效地利用MCM技術的問題。
MCM的應用對可靠性的要求極高,尤其是用于航空航天等**領域的MCM更是必須通過一系列的加速壽命試驗,如防潮、防鹽霧、熱沖擊、熱循環、恒溫蒸煮、引線完好性及泄露試驗等。由于MCM具有批量小、單件成本高、工藝要求高等特點,從而影響了傳統可靠性研究方法的效果。冷熱沖擊試驗箱另外,國外對MCM可靠性的研究尚在不斷地發展與完善之中,經驗較少;目前的做法是,各類機構聯合進行**的、綜合的研究,*典型的就是美國的先進封裝應用可靠性(RELTECH)計劃。目前,MCM產品中存在的可靠性問題主要是:MCM封裝技術、MCM測試方法等。
2.3.2已知良好芯片(KGD)技術的可靠性研究
進入20世紀90年代后,冷熱沖擊試驗箱由于MCM的出現及迅猛發展,使大量的、昂貴的、功能復雜的大規模或超大規模IC芯片都要被組裝在一個殼體內,如果預先不進行老化篩選,封裝后再進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品報廢,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技術由此應運而生。它是指裸露或無封裝的IC具有與傳統封裝芯片相同的質量或失效概率。是在所有裸芯片的應用(包括芯片規模封裝CSP)中,能夠減少費用、縮短周期以及提高產品可靠性的關鍵。
目前對KGD的需求非常旺盛。各大半導體公司對此技術更是一直很關注,他們根據宇航用、**、工業用和商業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和老練技術在過去的10年中明顯地成熟起來。
2.3.3微電子機械系統(MEMS)冷熱沖擊試驗箱的可靠性研究
近年來,MEMS已經從實驗室的新奇之物變成了商業器件。MEMS技術要獲得商業上的成功,可靠性是其關鍵的一環。而國外對此的研究也是剛剛開始,他們認為MEMS的可靠性非常重要:MEMS許多有前景的應用領域都是在失效會帶來高昂代價的關鍵系統上;目前對MEMS失效機理的了解并不多;MEMS技術正處于快速發展階段,各種可靠性問題的相對重要性會隨時改變;進行設計的權衡時必須考慮可靠性,以免增加系統的保障維修費用。

MEMS極其微小,冷熱沖擊試驗箱其活動部件只有一粒花粉那么大,目前已在許多設備上使用,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、材料和機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,跨領域的信號、各種干擾和物質的相互作用也會引發新的失效模式。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,以減少脫離平面的運動;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,以消除毛細管的反應。
b)激勵器的操作磨損
雖然有些MEMS經過驗證可操作數十億的循環,冷熱沖擊試驗箱但對滑動表面的腐蝕及其所產生的微粒污染物必須加以控制,才能實現MEMS的商業潛能。解決的方法包括:使用較硬的結構材料(如用鉆石代替多晶硅);使用液態和固態潤滑劑;優化器件設計和操作循環的頻率。
c)封裝
它是各種失效模式的焦點。由于封裝的費用占MEMS產品總費用的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范化的解決方法。
2.3.3.2主要的失效模式和機理
目前發現的幾個失效機理是導致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;環境引起的失效;冷熱沖擊試驗箱循環機械疲勞;潮濕效應;封裝。

2.3.4MEMS可靠性技術發展現狀
了解MEMS可靠性和技術保證問題對于擴大其在高可靠性應用中的接受程度以及技術轉讓的商業化是很重要的。因為它仍然處于成長期,通常是為特定的應用而開發,可靠性要求的差異很大,經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目前大部分都是借用IC的工具;可靠性模型很少,有關冷熱沖擊試驗箱MEMS的可靠性數據還很缺乏,特別是缺乏目前行業共享的標準和可靠性數據。但是,盡管存在差異,對于有類似失效機理的器件,還是可以制定出用于評價鑒定和可靠性評估的類似通用方法。
美國桑迪亞國家實驗室被公認為是這一新興技術領域的先驅,它開發的獨特技術可把復雜的機械系統和電子產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上的應用潛力,目前正在確定MEMS的可靠性。

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