Способ отбраковки потенциально ненадежных силовых кремниевых диодов

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОТБРАКОВКИ ПОТЕНЦИАЛЬНО НЕНАДЕЖНЫХ СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Марченко Игорь Георгиевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ отбраковки потенциально ненадежных силовых кремниевых диодов, при котором осуществляют низкоинтенсивное радиационное и термическое воздействие на упомянутые диодыобеспечением активации поверхностных дефектов в - переходах диодных структур, измеряют обратный ток диодов до и после воздействия и отбраковывают их при выходе упомянутого параметра за пределы допустимых значений, отличающийся тем, что отбраковку осуществляют после проведения при упомянутом радиационном воздействии термоциклирования в диапазоне температур от - 75 до 185 С в течение от 30 до 40 мин. Изобретение относится к области электричества, а более конкретно к методам испытаний и контроля качества полупроводниковых приборов на основе кремния на стадиях изготовления и применения, и предназначено для отбраковки из партии потенциально ненадежных диодов. Как известно 1, проверка параметров полупроводниковых приборов (ПП) на соответствие ТУ не гарантирует их надежную работу. Основной причиной ранних отказов ПП является несовершенство исходных полупроводниковых материалов и недостаточная точность технологических режимов. В результате приборные структуры могут содержать различные дефекты. Эти дефекты не обнаруживаются при проверке электрических параметров и на функциональном контроле поэтому их называют скрытыми дефектами (СД). Наиболее действенными методами выявления СД и отбраковки некачественных и потенциально ненадежных приборов являются технологические отбраковочные и диагностические испытания ПП 2. Они основаны на провоцировании отказов (нарушении стабильности параметров) ПП путем активации СД в физической структуре кристалла. Для активации этих дефектов применяют методы термического, электрического, термоэлектрического и радиационного воздействия. Для контроля используют зависимость какого - либо чувствительного параметра ПП от дестабилизирующих факторов. 13130 1 2010.04.30 Известен способ 3 разбраковки полупроводниковых приборов, заключающийся в том, что отбор потенциально ненадежных изделий проводят по оценке коэффициента увеличения интенсивности шумов каждого изделия после не менее десяти термоциклов в диапазоне крайних температур, допустимых по техническим условиям, по сравнению с первоначальным значением. Однако этот способ обладает низкой достоверностью при отбраковке силовых полупроводниковых приборов со скрытыми производственными дефектами. Известен способ 4 отбора изделий электронной техники по стойкости или надежности,который включает облучение изделий обучающей выборки и разбраковываемой партии,измерение электрических параметров до и после облучения и последующий отжиг до восстановления параметров. Способ позволяет осуществить отбор наиболее радиационностойких и надежных изделий с гарантированными показателями стойкости и надежности. Недостаток способа заключается в необходимости испытаний на радиационную стойкость и надежность представительной выборки и в невозможности оперативной отбраковки из всей партии изделий с нестабильными параметрами. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 5 отбраковки полупроводниковых приборов, в том числе и силовых диодов, с повышенной чувствительностью параметров к дестабилизирующим воздействиям. Он основан на известном физическом явлении, суть которого состоит в активации ионизирующим излучением скрытых производственных дефектов в приповерхностном слое приборной структуры и измерении обратного тока прибора до и после облучения. Однако этот способ не всегда является достаточно достоверным, что снижает эффективность отбраковки. Задача изобретения - повышение информативности отбраковочных испытаний и достоверности отбраковки силовых диодов, предрасположенных к эксплуатационным сбоям по параметрам обратной ветви вольтамперной характеристики. Способ отбраковки потенциально ненадежных силовых кремниевых диодов, при котором осуществляют низкоинтенсивное радиационное и термическое воздействие на упомянутые диоды с обеспечением активации поверхностных дефектов в переходах диодных структур, измеряют обратный ток диодов до и после воздействия и отбраковывают их при выходе упомянутого параметра за пределы допустимых значений. Новым по мнению авторов является то, что отбраковку осуществляют после проведения при упомянутом радиационном воздействии термоциклирования в диапазоне температур от - 75 до 185 С в течение от 30 до 40 мин. Сущность способа. Диоды, полученные на основе высокоомных кремниевых структур с переходом, подвергают термоциклированию (воздействию тепловых ударов при многократном изменении температуры от отрицательных до положительных и наоборот) в диапазоне от -75 до 185 С в течение 30-40 мин в процессе низко интенсивного электронного облучения. Такая обработка не приводит к значительному дефектообразованию в объеме полупроводника, а ускоряет протекание эффектов на поверхности приборных структур, повышая достоверность выявления приборов со скрытыми производственными дефектами. Дело в том, что при многократном чередовании повышенных и пониженных температур в условиях ускоряющего воздействия ионизирующего облучения, на поверхности полупроводника происходят все возможные реакции, приводящие как к образованию, так и к аннигиляции дефектов. Поверхностные дефекты в переходах диодных структур обусловлены нарушением кристаллической решетки на границе выхода перехода из полупроводника и накоплением вблизи него неподвижных зарядов. Анализ источников этих зарядов применительно к диодам на кремнии показывает, что при воздействии термоциклирования и ионизирующего облучения происходит увеличение скорости накопления поверхностных зарядов (дефектов) и изменение соответствующих параметров испытуемых приборов, в частности обратного тока диодов за счет приращения его поверхностной составляющей - тока утечки. За критерий отбраковки принимался выход величины обратного тока диода за пределы допустимых значений более чем на 10 . 2 13130 1 2010.04.30 Термоциклирование проводят при температурах от -75 до 185 С в течение 30-40 мин. Указанный интервал температур и продолжительности термоциклирования установлены экспериментальным путем. Оценка эффективности отбраковки по заявляемому способу показала ее снижение за пределами указанных интервалов на 20-40 . Пример конкретного выполнения. Использовалась партия в количестве 25 штук технологически завершенных высоковольтных диодов Д 112-10. Предварительный контроль параметров у отобранных приборов показал, что все диоды имеют значения параметров прямой и обратной ветви вольтамперной характеристики, гарантированных заводомизготовителем. Для отбраковки использовалось облучение электронами с энергией 4 МэВ при средней интенсивности пучка электронов 11010 см-2 с-1. Термоциклирование осуществлялось с использованием паров жидкого азота. Азот испарялся из сосуда Дьюара при помощи электропечи мощностью 900 вт. Конструкция трубопровода предусматривала подогрев паров азота и, таким образом, возможность получения в контейнере с диодами, помещенном перед выходным окном ускорителя электронов, быстро изменяющейся температуры от отрицательной до положительной и обратно. Время прохождения одного термоцикла от -75 до 185 С и от 185 до -75 С составляло около 5 мин. Измерение (при номинальном обратном напряжении 1000 В и температуре 140 С) обратного токау всех 25 диодов до и после проведения радиационно-термической обработки дало следующие результаты. У трех диодовпревысил начальное (до обработки) значение на 11, 14 и 21 соответственно у 20 диодов превышениебыло в пределах 2 7 , а у двух диодовдаже снизился на 8 и 12 . Таким образом, из 25 приборов следует отбраковать, как потенциально ненадежные,три диода с наибольшим изменением . Для проверки достоверности отбраковки использовалось тестирующее облучение всей партии. С этой целью диоды облучались различными флюенсами электронов с энергией 4 МэВ при средней интенсивности пучка электронов 21012 см-2 с-1 и на разных стадиях облучения измерялись их параметры обратный ток и прямое падение напряжения. Установлено, что отбракованные диоды действительно выходят из строя при дозах облучения, при которых остальные приборы (22 диода) сохраняют работоспособность. Таким образом, используя термоциклирование в комбинации с ускоряющим воздействием ионизирующего облучения, как более эффективное средство, чем облучение при фиксированной температуре, для активации поверхностных дефектов и контролируя величину тока в обратносмещенных диодах можно оперативно и высокой достоверностью выявить образцы потенциально ненадежных приборов, предрасположенных к первоочередному выходу из строя при любых дестабилизирующих воздействиях термических,электрических, термоэлектрических и радиационных. Источники информации 1. Громов В., Илюшкин И. Вопросы контроля и обеспечения надежности изделий электронной техники для силовой электроники // Силовая электроника. - 2005. -2. С. 18-19. 2. Горлов М.И., Емельянов В.А., Ануфриев Д.Л. Технологические отбраковочные и диагностические испытания полупроводниковых изделий. - Минск Бел. наука, 2006. - С. 367. 3. РФ 2005101028 А, 2006. 4. Патент РФ 2168735, МПК 01 31/26, 31/28, 2001). 5. Ведерников В.В. и др. Использование ионизирующих излучений для испытаний полупроводниковых приборов. Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. Вып. 7 (142), 1980. - С. 124-127. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3