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半導體器件的貯存壽命
１ 引言
高可靠半導體器件在降額條件（Ｔｊ＝１００℃）下的現場使用失效率可以小于１０－８／ｈ，即小于１０Ｆｉｔ，按照偶然失效期的指數分布推算，其平均壽命ＭＴＴＦ大于１０８ｈ，即大于１００００年。據文獻報導，電子元器件的貯存失效率比工作失效率還要小一個數量級，即小于１Ｆｉｔ。
國內航天用電子元器件有嚴格的超期復驗規定，航天各院都有自己的相應標準，其內容大同小異［１］。半導體器件在Ι類貯存條件下的有效貯存期zui早規定為３年，后放寬到４年，zui近某重點工程對進口器件又放寬到５年，比較隨意。同時規定，每批元器件的超期復驗不得超過２次。
美軍標規定對貯存超過３６個月的器件在發貨前進行Ａ１分組、Ａ２分組以及可焊性檢驗［２］，并沒有有效貯存期的規定。
在俄羅斯軍用標準中，半導體器件的zui短貯存期一般為２５年，器件的服務期長達３５年，和俄羅斯戰略武器的設計壽命３０年相適應。
然而，國內對于半導體器件的貯存壽命尤其是有效貯存期有著不同的解釋，在認識上存在著誤區。國內的超期復驗的規定過嚴，有必要參考美、俄的做法加以修訂，以免大量可用的器件被判死刑，影響工程進度，尤其是進口器件，訂貨周期長，有的到貨不久就要復驗，在經濟上損失極大。
２ 芯片和管芯的壽命預計
高可靠半導體器件通常采用成熟的工藝、保守的設計（余量大）、嚴格的質量控制、封帽前的鏡檢和封帽后的多項篩選，有效剔除了早期失效器件。用常規的壽命試驗方法無法評估其可靠性水平，一般采用加速壽命試驗方法通過阿列尼斯方程外推其ＭＴＴＦ，其芯片和管芯的壽命極長，通常大于１０８ｈ，取決于失效機構激活能和器件的使用結溫。
隨著工藝技術的進展，半導體器件的激活能每年大約增長３％。據報道１９７５年的激活能為０６ｅＶ，１９９５年增長到１０ｅＶ，其ＭＴＴＦ每隔１５年增長一倍，加速系數每隔５年增長一倍。
化合物半導體器件微波性能*，可靠性高，自８０年代以來，在軍事領域得到了廣泛的應用。已報道的ＧａＡｓＦＥＴ，ＨＢＴ，ＭＭＩＣ電路的激活能一般都大于１５ｅＶ，即加速系數非常大。ＭＴＴＦ的報道在１０９～１０１１ｈ，外推至溝道溫度１００℃。
加速壽命試驗能暴露芯片或管芯的主要失效機理有：金屬化條電遷移、氧化層中和氧化物與半導體界面上的可動電荷、電擊穿、界面上的金屬化與半導體的相互作用以及金屬間化合物等。
３ 超期復驗和有效貯存期
由于半導體器件的芯片和管芯的壽命極長，因此超期復驗的重點應關注與器件封裝有關的失效機理。例如器件的外引線在多年貯存以后，有的會產生銹蝕，影響到可焊性，在裝機后易產生虛焊故障和密封性不良的器件。在長期貯存中，水汽會進入管殼，產生電化學腐蝕，使內引線鍵合失效或電參數退化。不過對于密封性良好的器件，如漏率小于１０-９Ｐａ•ｍ３／ｓ，其腔體內外９０％氣體交換時間為２０年，可以忽略外部水汽的影響。
在美軍標ＭＩＬ-Ｍ-３８５１０微電路總規范中規定：對制造廠存放超過３６個月的微電路在發貨前只要求重新進行Ｂ-３分組的可焊性試驗，不要求重新進行Ａ組檢驗，也沒有有效貯存期的限制。俄羅斯對電子元器件的貯存性評估方法已制定了標準［３］，其中有加速貯存和長期貯存兩種試驗方法，即使采用了加速貯存方法，也要積累多年的數據，也只能部分替代常規貯存試驗。因此俄羅斯對其軍用電子元器件zui短貯存期限分檔為１５，２０，２５，３０，３５年是有充分依據的。
我國航天部門提出的有效貯存期的依據并不充分，其３～５年的規定比較保守，各部門提出的規定也大同小異，建議對電子元器件制定統一的超期復驗標準。有必要吸收俄羅斯的經驗，因其標準體系相當嚴密，基礎工作非常扎實，俄羅斯“和平號空間站”設計壽命為５年，而實際服務期限已超過１５年，就是很好的例證。
４ 半導體器件長期貯存實例
４．１ 美國宇航級晶體管
ＪＡＮＳ２Ｎ２２１９ＡＬ為硅ｎｐｎ開關晶體管， ＰＣＭ為８００ｍＷ，采用ＴＯ３９封裝，該批器件的生產日期為１９８０年，數量為４２支。宇航級晶體管為美國軍用半導體器件中zui高的產品保證等級，它體現了當時半導體器件的zui高質量水平。
我們從１９９８年開始對該批器件進行了一系列的試驗和檢測，并于１９９９年進行了報道［４］。當時任抽１０支管子進行過６０００ｈ的全功率壽命試驗，試驗以后電參數變化極小， ｈＦＥ先略微變大，過峰值后又略微變小，相對變化幅度小于２％。當時這批器件已經貯存了１７年，可見長期貯存對它的使用可靠性無影響。
２００６年又對全部樣品進行了電參數復測，ｈＦＥ和１９９８年的參數全部吻合，沒有明顯的變化，證明了宇航級器件在實驗室條件下貯存壽命極長，到目前為止已經貯存２６年沒有發現電參數有任何退化，并且外引線鍍金層厚度為３μｍ，氣密性全部合格，內部水汽含量抽檢２支為２１５６和２３４３×１０－６，均小于５０００×１０－６，管殼內９９.７％為氮氣，氧含量僅為１００×１０－６。
４.２ 特軍級晶體管
ＪＴＸ２Ｎ２４０５為硅ｎｐｎ開關晶體管， ＰＣＭ為１Ｗ，ＴＯ-３９封裝，生產日期為１９７４年，已經貯存了３２年。特軍級晶體管的質量等級高于普軍級（ＪＡＮ），該批器件數量較大，共２０６支，管芯的圖形較大，ＩＣＭ為１Ａ，內引線用金絲，在管芯處為球焊鍵合，為７０年代的典型鍵合工藝。在貯存期間，對電參數進行過多次檢測，全部符合規范要求，僅有１支管子，小電流ｈＦＥ （１ｍＡ處）有退化跡象。管子的外引線鍍金層質量良好，沒有銹蝕現象，任抽１０支樣管做可焊性試驗，全部合格，氣密性經檢測漏率小于１０９Ｐａ•ｍ３／ｓ。
４.３ 早期的宇航級晶體管
ＪＡＮＳ２Ｎ２２２２Ａ為硅小功率開關晶體管，ＴＯ-１８封裝，相當于國產管３ＤＫ３，該批產品共５支，生產日期為１９７１年，已經貯存了３５年，是美國ＴＩ公司早期生產的宇航級晶體管。經電參數檢測，全部符合規范要求，ｈＦＥ在微電流下也沒有退化。
該管內引線采用當時典型的金絲球焊工藝，經過ＤＰＡ檢測，內引線鍵合拉力為２.９～６.５ｇ，芯片剪切力為１.９８ｋｇ。由于金絲和鋁膜的鍵合在高溫下會產生多種金鋁化合物，嚴重時會產生開路失效，因此ＴＩ公司在８０年代生產的宇航級晶體管２Ｎ２２１９中內引線使用鋁絲超聲鍵合工藝，消除了金鋁化合物的失效模式。從ＤＰＡ的數據來看，金絲球焊的鍵合拉力在貯存３５年后，確有退化，２.９ｇ數據為鍵合點脫開，６.５ｇ為金絲拉斷。該批器件的氣密性良好，經檢測漏率為１０-９Ｐａ•ｍ３／ｓ范圍。
４.４ 國產晶體管長期儲存實例
國家半導體器件質量監督檢驗中心從１９８４年起對各種國產高頻小功率晶體管進行了許可證確認試驗，當時每個品種從工廠抽樣１５０支，用６０支分別進行高溫儲存、工作壽命和環境試驗，其余留作仲裁用。全部樣品在Ⅰ類貯存條件的試驗室保存了２０多年，從２００６年開始進行了長期貯存器件可靠性研究，現報道其中一例。
３ＤＧ７９晶體管為中放ＡＧＣ管，生產時間為１９８３年，對庫存１００多支樣管進行了常溫電參數測試，全部符合規范要求，對其中５支標樣進行了對比測試，發現ｈＦＥ在貯存２０年后平均下降了１６％ （年下降率０.８％），說明存在ｈＦＥ退化機理，但未超出壽命試驗失效判據（３０％）。
５ 結論
高可靠半導體器件的貯存壽命極長，對于氣密性良好的金屬或陶瓷封裝器件，如果內部水汽含量小于５０００×１０-６，外引線鍍層質量良好，在Ⅰ類條件的貯存期限可達到２５年，甚至更長。
我國航天部門制訂的超期復驗標準中對于有效貯存期訂的過嚴，建議參考俄羅斯標準作必要的修訂，作為過渡方案，可以將半導體器件的有效貯存期先放寬到５年，這在某重點工程中已證明是可行的。
國內有關部門應加強電子元器件貯存可靠性及評估技術研究，制定相應統一的標準規范。