光敏二极管的可靠性和寿命分析

光敏二极管的可靠性和寿命分析 3 Ξ 张生才 , 郑云光 , 张世林 , 李树荣 , 赵毅强 , 姚素英 , 朱胜利 (天津大学电子电信工程学院 ,天津 300072) 摘要 :在大量实验的基础上 ,通过理论分析和数据处理 ,采用威布尔概率纸图估法 ,评估了为某种设备的 特殊需要生产的一种新型硅光电探测器的可靠性和寿命。在正常工作条件 (300 K) 时 ,器件的平均寿命 为 1. 04 ×108 h ;在 40 ℃时 ,器件的失效率等级达到国家规定 6 级。详细分析了光敏二极管的失效 模式及失效机理 ,提出了提高光敏二极管的可靠性和寿命的措施。 关键词 :光敏二极管 ; 威布尔概率 ; 可靠性 ; 寿命 ; 失效模式 ; 失效机理 中图分类号 :TN40. 6 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :100520086 (2003) 0520466203 The Analysis for Reliability and Life of the Photo2sensitive Diodes ZHANG Sheng2cai , ZHENG Yun2guang , ZHANG Shi2li , LI Shu2rong , ZHAO Yi2qiang , YAO Su2ying , ZHU Sheng2li (School of Electronic Information Engineering ,Tianjin University ,Tianjin ,300072 ,China) Abstract : The reliability and life of a new silicon photo2electric detector ,which was produced for the special demand of some sort of equipment have been evaluated. The evaluation is on the basis of large amounts of experiments , theoretic analysis and data processing , adopting the Weibull probability drawing evaluating method. The average life of this device is 1. 04 ×108 h at the normal working temperature 300 K. The invalidity of the device s have reached the sixth level of national standards at 40 ℃. This paper also analyzed the in2 valid pattern and mechanism of the device s ,and bring out the mathod to improve their reliability and life . Key words :photo2sensitive diode ; Weibull probability ; reliability ; life ; invalid pattern ; invalid mechanism 1 　引 　言 　　半导体光电探测器是机电一体化技术的关键 ,在 生物、医疗、通讯和军事等行业以及照相机、彩色复印 机、彩色扩印机的测光和金融业务的伪钞鉴别等部门 有着十分广泛的应用 ,是目前国内外研究的热点之 一。我们为某重大工程项目急需而研究生产了一种 新型硅光电探测器。研制该器件的难点是有源光敏 区面积大、暗电流小和某短波段的光灵敏度高 ,并具 有较好的稳定性和可靠性。 　　随着电子科学技术的快速发展 ,由光电器件构成 的设备、系统的功能越来越复杂 ,所用器件数量也不 断增多 ,使用环境越来越严酷 ,所以发生器件性能退 化、失效是相当普遍的。研究光电器件失效规律 ,从 而提高器件及设备的可靠性是当前迫切需要解决的 问。但是迄今光敏器件的可靠性和寿命研究的报 道甚少。本文对这个问题进行初步研究。本研究虽 然是针对特定器件 ,但其研究分析方法对其它器件同 样适用。 2 　器件结构和性能 2. 1 　结 　构 　　该新型 Si 光电探测器的结构如图 1 所示。 图 1 　Si 光电探测器 Fig. 1 　Photo2sensitive diode 光 电 子 ·激 光 第 14 卷 第 5 期 　2003 年 5 月 　　　　　 J ournal of Optoelectronics·Laser 　　　　　　　Vol. 14 No. 5 　May 2003 Ξ 收稿日期 :2002208220 　修订日期 :2002211201 　3 基金项目 :天津市科委科技攻关项目 (023107511) © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　该器件暗电流小 ,某特定波段下光灵敏度 高。光电探测器的暗电流 ID 为 　　　　 ID ≈ Ig = A j qn2i 2τp ( 2εε0 VA qND ) 12 (1) 式中 , ni 为硅的本征载流子浓度 ;ε、ε0 分别为 Si 的相 对介电常数和真空介电常数 ; VA 为外加电压 ; ND 为 n 型材料掺杂浓度 ;τp 为少子寿命 ; q为电子电荷 ; A j 为 p2n 结面积。由于 q、ε、ε0 和 ni 为常数 ; VA 为规定值 , 所以要减小 ID 主要是增加τp 。 　　设计中 ,我们选用优质 (100) n 型 Si 片。 　　Si 光电探测器的光电流 IL 为 　　　　 IL = qgAJ ( ln + lp + Xm) (2) 式中 , g 为电子空穴对产生率 ; ln、lp 为 p2n 结两侧少 子扩散长度 ; Xm 为 p2n 结势垒宽度。由 (2) 式可知 , 光电流主要与材料选择、p2n 结面积和结深有关。设 计中除选择长寿命优质材料外 ,选用增大光敏面积 ( A j = 11. 56 mm2) 、浅结离子注入 (或扩散) 技术、薄 氧化层保护膜及抗反射膜技术及优化的版图设计 技术。 2. 2 　性 　能 　　为提高器件的稳定性和可靠性 ,采用多层钝化保 护和防潮性保护技术 ,使产品的主要参数指标达到 : 　　光电流 , IL ≥15 nA ( VR = 5 V , T = 25 ℃,某特 定波长光 , E = 2 LUX) ; 　　暗电流 , ID ≤0. 5 nA ( VR = 5 V , T = 25 ℃, E = 0 LUX) ; 　　温度特性 , IDT ≤5 nA ( VR = 5 V , T = 45 ℃,3 h , E = 0 LUX) ; 　　温度漂移 ,ΔIDT ≤1 nA ( VR = 5 V , T = 45 ℃,0. 5 - 3. 0 h , E = 0 LUX) 。 3 　可靠性试验[1 ,2 ] 3. 1 　高温高湿试验 　　在批产品中任意抽取 500 只光电二极管 ,在 40 ℃、相对湿度 90 %下 ,进行 8 h 试验。试验毕自然冷 却 0. 5 h 后测量结果 :499 只 ID ≤1. 5 nA ,1 只 TD = 1. 9 nA ,按产品出厂标准 100 %合格。 3. 2 　高温反偏试验 　　任意抽取 150 只光电二极管 ,125 ℃, VR = 5 V , 进行 8 h 试验 ,100 %合格 ;任意抽取 50 只 ,150 ℃, VR = 5 V ,进行 96 h 试验 ,试验后测 ID ,100 %合格。 3. 3 　高低温循环试验 　　任意抽取 144 只光电二极管 , - 55 ℃30 min 和 + 125 ℃30 min ,循环 3 次 ,中间停留时间 1 min。试 验毕自然冷却 0. 5 h 后测量 ID ,100 %合格。 3. 4 　温度特性试验 　　任意抽取 67 只光电二极管 ,在 45 ℃,0. 5 h 和 3. 0 h 分别测量 ID ( VR = 5 V) , ID < 10 nA 为合格。测量 结果 ,0. 5 h 或 3. 0 h , ID < 6 nA ,100 %合格。 4 　加速寿命实验及数据处理 4. 1 　加速寿命实验 　　1) 为保证加速寿命实验的光电二极管均为合格 器件 ,所以取 600 只器件先做了 120 ℃、72 h 的筛选 试验 ,用以淘汰早期失效器件 ,淘汰率约为 1 %。 　　2) 为了不改变器件失效机理而又能加速器件失 效过程 ,选择了 3 个温度应力条件 :160 ℃、200 ℃和 230 ℃,每个温度应力条件下试验器件数为 100 只。 结果为 75 只 ID ≤1 nA ;20 只 ID = 1. 0～1. 6 nA ;5 只 面部分有缺陷。这种分布与常规产品大致相同。 　　加热 23～24 h (含 0. 5～1. 0 h 测量时间) ,连续加 热或 12 h 间断加热。 　　3) 失效判 据 : ID ≤1. 7 nA( VR = 5 V , T = 25 ± 0. 5 ℃)为合格。 　　器件失效情况如表 1 所示。 表 1 　累积失效概率 Tab. 1 　Cumulativeness of in valid probability F ( t) F( t) / ( %) Heating times/ h 160 ℃ 200 ℃ 230 ℃ 1 224 120 132 2 270 120 168 3 529 180 204 4 1 094 721 348 5 1 516 859 360 6 859 504 7 516 8 516 4. 2 　数据处理[3 ] 　　利用威布尔分布函数分析计算了不同温度下光 敏二极管的平均寿命。 　　在 300 K时 ,平均寿命为 　　μ^0 = η^0 μη = 5. 6 ×10 7 ×1. 86 = 1. 04 ×108 h ; 　　在 313 K时 ,平均寿命为 　　μ^′0 = 2. 4 ×107 ×1. 86 = 4. 46 ×107 h。 　　根据加速寿命试验结果分析 ,其失效率等级达到 6 级水平 (λ≤1 ×10 - 5/ h) 。一般民用器件只能达到 5 ·764·第 5 期 　张生才等 :光敏二极管的可靠性和寿命分析 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 级 (λ≤1 ×10 - 5/ h)或亚 5 级 (λ≤3 ×10 - 5/ h) 。 5 　失效模式及失效机理分析 5. 1 　失效模式 　　根据实验发现失效器件的失效模式主要有 :芯片 脱落 6 只 ,占失效器件总数的 31. 6 % ;引线下弯造成 短路 6 只 ,引线脱焊或断丝 2 只 (共 8 只) ,占 42. 1 % ;崩角崩边 3 只 ,占 15. 8 % ;钝化层有缺陷和情况 不详各 1 只 (共 2 只)占 10. 5 %。 5. 2 　失效机理分析 5. 2. 1 　芯片脱落 　　芯片脱落是由于试验温度过高 ,时间过长导致低 温银浆的粘合剂变质失效 ,银浆的粘附力丧失所致。 采用这么高的温度做实验也是迫不得已的 ,因为在较 低温度下器件失效非常缓慢。 5. 2. 2 　引线键合[4 ] 　　试验中 ,引线下弯造成引线 (与 p 区相接)和芯片 边缘暴露的硅 (与 n 区相接)短路的器件 6 只 ,管腿压 焊点脱焊或断丝 2 只。这 8 只失效器件都属于引线 键合问题。原因是硅铝丝遇热膨胀并在其重力下而 下弯 ,由于引线过长或管腿与芯片表面高度差过小而 造成的失效 ,但这些都是在过高的温度下发生的。所 以避免器件在过高温度下工作很重要。引线脱焊是 由于压焊的引线绷得过紧或键合不够牢固 ;引线断丝 是由于压焊过力 ,引线变形过大 ,在温度应力作用下 而断开 ;键合不够牢固是键合工艺操作不当 ,或管腿 上表面不平整、镀层不牢或不清洁 ,及不容易压焊等。 其既涉及到键合工艺操作又涉及到管座的设计、电镀 和清洁处理等问题 ,需要分别加以研究和改进。 5. 2. 3 　芯片质量问题 　　在试验过程中 ,芯片质量问题虽不是主要矛盾 , 但也有必要进一步提高芯片质量和加强对其质量 检查。 5. 2. 4 　崩角崩边 　　一般器件在 160～230 ℃进行试验 ,每天测量 1 次 ,其所受到的温度应力不足以造成芯片崩角或崩 边 ,因此原因可能是操作人员失误造成的。因为在试 验期间操作人员大约测量了 15 000～18 000 只次 ,每 只器件都是开口的 ,用镊子夹器件时 ,稍有不慎就可 能碰到芯片而导致崩角或崩边。 6 　结 　论 　　通过大量实验和理论分析表明 ,我们为某种设备 的特殊需要研究制造的新型硅光电探测器 ,在正常工 作条件 300 K时 ,器件的平均寿命为 1. 04 ×108 h ;在 40 ℃时 ,器件的失效率等级达到国家标准规定 6 级。 通过进一步提高芯片质量 ,改进芯片烧结和引线键 合 ,提高操作人员水平 ,可使光电器件的可靠性得到 进一步提高。 参 　考 　文 　献 : [1 ] 　GJB 548A - 96 ,微电子器件试验方法和程序[ S ] . [2 ] 　GJB 128A - 97 ,半导体分立器件试验方法[ S ] . [3 ] 　ZHAN G An2kang. Reliability of microelectronic device and circuit [ M ] . Beijing : Electronic Industry Pre ss ,1992. ( in Chinese) [4 ] 　ZHAN G Yan2wei. Analysis of difficulty in electronic device destroy physics analysing[J ] . Reliability and Environment Test of Electronic Products (电子产品可靠性与环境试 验) ,2002 , (1) :30232. (in Chinese) 作者简介 : 张生才　(1945 - ) ,男 ,副教授 ,硕士生导师 ,主要从事半导体集成电 路及新型半导体器件的研究和开发工作1 ·864· 　　　　　　　　　　　　　　　　　光 电 子 ·激 光 　2003 年 　第 14 卷 　 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net