автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование надежности силовых транзисторов и разработка методов их отбраковки

Зсероссийский электротехнический институт имени В.И.Ленина

на правах рукописи

Айрапетян Вачаган Каранович

Исследование надежности силовых транзисторов и разработка методов их отбраковки

05.27.01 - твердотельная электроника микроэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в научно-производственном предприятии

"ТрсшБИСТОр".

Научный руководитель:'" кандидат физико-математических наук

С.И.С. А.М.Григорьев

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор A.B.Гамаюнов

кандидат технических наук, старший научный сотрудник E.H..Пономарев

Ведущая организация: Запорожское производственное

объединение "Преобразователь"

Защита сстоится "_" _ 1994 г.в _час

на заседании специализированного совета Д143.04.01 при Всероссийском электротехническом институте имени В.Я.Ленина по адресу: 111250,Москва,ул.Красноказарменная, д. 1£.

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке ВЭИ имени В.И.Ленина.

Автореферат разослан "_ " _ 1994 г.

Общая характеристика работы

Актуальность.

Настоящая работа посвящена исследованию надежности силовых транзисторов (СТ), которые являются основным активным элементом преобразовательной техники. Быстрое развитие преобразовательной техники в значительной степени оказалось возможным благодаря применению СТ,которые в последние десятилетия успешно конкурируют с силовыми тиристорами.

Необходимым условием дальнейшего повышения качества преобразовательных устройств является создание надежных СТ. Анализ путей обеспечения и повышения надежности полупрчвод-никовых приборов показывает,что для их осуществления применительно к СТ необходимо решить следующие основные задачи:

- выбор и обоснование режимов испытаний СТ на надежность, а также разработка методик их проведения;

- выбор и обоснование наиболее информативных параметров СТ и разработка методик их измерения.

Решение первой задачи позволяет:

- получить достоверные значения показателей надежности(ПН), определить зависимости ПН СТ от коэффициентов загрузки и времени в различных режимах применения;

- определить режимы принудительной тренировки СТ с целью отбраковки дефектных приборов;

получить достоверную информацию о технологических и конструктивных дефектах СТ. Решение второй задачи необходимо для неразрушающей отбраковки потенциально ненадежных СТ и снижения стоимости приборов при одновременном повышении уровня их надежности.

Следует отметить, что СТ являются сравнительно новым дискретным элементом твердотельной электроники, недостаточно изученным с точки зрения надежности.Существующие методы испытаний на надежность не позволяют точно оценить ПН СТ и выявить основные механизмы их отказов.Отсутствует также информация о распределении отказов во времени,что не позволяет обосновывать экономически-оптимальные режимы тренировки СТ.

Что касается изучения таких информативных параметров СТ, как низкочастотный шум (НЧШ) и ш-фактор«то до сих пор они исследовались только для маломощных транзисторов и методики их измерения для силовых приборов с целью отбраковки потенциально ненадежных транзисторов отсутствуют.

Поэтому исследование и разработка методов отбраковки ненадежных СТ представлется весьма актуальной задачей.

Целью работы являлось:

- определение показателей надежности СТ в трех режимах испытаний, а именно: в "ждущем" и динамическом режимах и в режиме термоэлектроциклирования;

- определение законов распределения основных параметров СТ и законов распределения их отказов во времени;

- разработка методов измерений и проведение экспериментальных исследований НЧШ и ш-фактора с целью последующей отбраковки СТ.-

Методы исследования. В процессе решения задач диссертационной работы использовались методы теории вероятностей и математической статистики, физической и математической теории надежности,физики полупроводниковых приборов. Экспериментальные исследования и испытания проводились как на стандартном, так й на специально разработанном оборудовании. Научная новизна работы:

- Определены законы распределения отказов СТ в трех основных режимах испытаний, а также определены зависимости ПН от времени и нагрузки в "ждущем" режиме, в том числе впервые

получено значение энергии активации для СТ.

- Впервые приведены данные о показателях надежности СТ в различных режимах испытаний.

- определены зависимости НЧШ и т-фактора СТ от параметров нагрузки.

- впервые для СТ применены методы теории распознования образов для анализа результатов испытаний СТ и построена соответствующая математическая модель.

Основные положения работы, выносимые на защиту. Автором разработаны и выносятся на защиту:

- результаты испытаний СТ на надежность в .базовых режимах;

- результаты исследований НЧШ и т-фактора СТ и их зависи- ■ мости от параметров нагрузки:

- применение теории распознования образов с целью выявления наиболее информативных параметров СТ и алгоритм подсчета индекса их информативности;

- модели повышения надежности СТ'за счет тренировки и отбраковки потенциально ненадежных приборов.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Предложенные в диссертации методы испытаний СТ на надежность в предельно-допустимых электрических и тепловых режимах, максимально приближенные к реальным условиям эксплуатации, позволяют получать объективную информацию об истинных значениях ПН СТ.

Предложенная в диссертации методика и режимы для проведения термоэлектротренировки использовались в НШ "Транзистор" для повышения надежности СТ.

Проведенный анализ по выявлению причин отказоБ после испытаний позволяет исключить технологические и конструктивные дефекты СТ и повысить тем самым уровень их качества.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Надежность силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе" (г.Саранск,1933 г.),на научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах'Чг.Черноголовка,1990г.),на 3-й Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направ-

ления развития конструирования,технология и исследования силовых полупроводниковых приборов'Чг.Москва,1§91г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных, работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, списка обозначений и Списка литературы. Основное содержание диссертации' изложено на 108 страницах машинописного текста, содержит 95 иллюстраций, 14 таблиц, список литературы из 202 наименований на 19 страницах.

Содержание работы

Во введении приведены характеристики проблемы, сформулированы цели и задачи работы и основные положения, выносимые автором на защиту.

Первая глава диссертации посвящена анализу состояния работ по экспериментальному определению ПН СТ как в динамическом и "ждущем" режимах,так и в режиме термоэлектроциклирова-ния. В разделе 1.1 приведены наиболее часто используемые законы распределения вероятности безотказной работы,интенсивности отказов и их характеристики.Далее на основе советской и зарубежной литературы проведен анализ результатв испытаний как кремниевых,так и германиевых транзисторов (в основном малой и средней мощности) на надежность.

Испытания этих транзисторов проводились в динамическом и "ждущем" режимах, в режиме термоэлектроциклирования(ТЭЦ), а также при высокотемпературном хранении(ВТХр).

В динамическом режиме и в режиме ТЭЦ температура перехода доводилась до предельно допустимой,а рассеиваемая мощность составляла от 0.1 до 200 Вт.При ВТХр и в "ждущем" режиме температура составляла от 125 до 300°С. Полученные при этом значения интенсивности отказов(ИО) транзисторов равны:

- 1.3*10~б \/ч в динамическом режиме(наработка<50000часов);

- 5*10-7 1/.ч в "ждущем" режиме и при ВТХр;

- 5*10-8 1/ч в режиме ТЭЦ.

Ив представленных в табл.1.1 данных сделан вывод о том,

что планарные кремниевые транзисторы имеют более высокие ПН. чем германиевые транзисторы, как при ВТХр, так и в других режимах. Кроме того, из той же таблицы очевидно,что во всех видах испытаний количество деградационных отказов превышает число отказов катастрофического характера.

В целом анализ рассмотренной группы работ показывает, что данные о ПН для СТ в настоящий момент отсутствуют.

Далее в гл.1 рассмотрены существующие методы испытаний транзисторов в различных режимах.В итоге сделан вывод о том, что для оценки ПН СТ в целом необходимо проводить испытания как минимум,в трех режимах,а именно:в "ждущем",в циклическом (термоэлектроцишшрование) и в динамическом. Отмечено также, что при проведении испытаний в ждущем режиме необходимо обеспечить выполнение условия тепловой стабильности. Кроме того, отмечено,что недостатками существующих методов организации и проведения указанных испытаний является отсутствие:

- удобных для практики методик определения температуры перехода СТ;

- способов определения величин « и ^ъз-с при проведении испытаний в "ждущем" режиме;

- единых методик испытаний в динамических режимах, позволяю-ющих учитывать многообразие возможных условий эксплуатации.

Далее в этой главе(разд.1.3) рассмотрены работы по исследованию параметров прямой ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) и НЧШ с целью выявления потенциально-ненадежных полупроводниковых приборов.Анализ этой группы работ показал, что с помощью одного из параметров ВАХ, а именно ш-фактора, можно судить о надежности полупроводниковых приборов и выявлять степень дефектности р-п переходов или приборов в целом. Кроме того, в разделе 1.3 отмечено, что на реальной ВАХ р-п перехода имеется четыре участка, отличающихся наклоном, и с точки зрения отбраковки потенциально ненадежных полупроводниковых приборов это обстоятельство представляет интерес постольку, поскольку выбор диапазонов токов через р-п переход для определения прогнозирующего параметра - ш-фактора должно осуществляться в соответствии с выбранным участком.

Одновременно приведены краткие сведения о значениях прямых токов при измерении ш-фактора для некоторх типов

приборов, лежащих в пределах от 10~9А до 10~'3А. Здесь же кратко излагаются сведения о значениях т-фактора для некоторых полупроводниковых приборов, которые находятся б пределах от 1.£ до 15. Наконец, на основе ряда публикаций сделан вывод об отсутствии методов отбраковки потенциально ненадежных СТ по т-фактору.

3 разделе 1.4 рассмотрена возможность отбраковки потенциально ненадежных приборов, в том числе и СТ по их низкочастотному шуму. Б этой связи проанализировано большое количество публикаций и отмечено,что НЧШ наблюдался во всех типах полупроводниковых и электронных приборов.Также рассмотрены основные методы измерения шумов как с целью отбраковки, так и для научных исследований. Кратко рассмотрены достоинства, недостатки и условия применения указанных методов.Здесь же описаны некоторые виды дефектов,которые являются причинами возникновения шумов в приборах. В итоге отмечено, что:

- отсутствуют данные об исследовании шумов СТ;

- не разработаны методы и установки для измерения НЧШ СТ;

- не известны частотные зависимости НЧШ для СТ.

3 заключительном разделе 1.5 главы 1 сформулированы задачи настоящей работы, как они вытекают из анализа литературных данных.

Бо второй главе диссертации в разд. ЕЛ предлагаются методы испытаний и порядок измерения некоторых критериальных параметров.С точки зрения надежности вероятность безотказной работы(ВЕР) СТ может быть,при определенных ограничениях представлена в виде произведения ВЕР его объема (Ру), поверхности (Рэ) и контактных соединений (Кс):

Р - Ку Рз Рс (1)

Б настоящей главе для определений надежности предложен подход, согласно которому СТ подвергаются испытаниям

(а)в режиме ТЗЦ - для проверки составляющей Рс;

(б)в "ждущем" режиме - для проверки составляющей Рз;

¡с)в динамическом режиме - для проверки составляющей Ру.

" Испытаний -СТ в "ждущем" режиме проводятся следующим образом.

1. В первую очередь необходимо определить температуру термостата так, чтобы учесть возможность саморазогрева приборов, так как такой саморазогрев может привести к нарушению условия тепловой стабильности и последующему тепловому пробою перехода, что не имеет отношения к собственно надежности СТ. Значение величины перегрева, приводящего к тепловой нестабильности во время испытаний в "ждущем" режиме можно определить с помощью известного выражения:

Ро(Т)-РоСТо) ехр(с< ЛТПДТ/Rth , (С)

где P0(T)-Uceû Iceoi мощность, рассеиваемая во время испытаний при Тл-Т^гсах; Po(Tq) - мощность, рассеиваемая в начале испытания при Т,-Т0 - температура термостата; а - коэффициент 1/°С; ДТ - перегрев, возникающий из-за РС(Т). Величина & определялась графическим методом путем усреднения зависимостей ICE0=f(Tj). и составила величину примерно равную 0.089.

Значение теплового сопротивления переход-корпус R'th.i-c в режиме отсечки транзистора измерялось экспериментальным путем и составило от 3 до 14 °С/Вт.В сеяби_с тем,что значения Rth.,-0 транзисторов б режиме отсечки оказались на порядок большими, чем значения приводимые в ТУ, ив связи с их очень большим разбросом, выбор температуры термостата в "ждущем" режиме осуществлялся с запасом по формуле:

7 j max " I/« ( 3 )

где Та - температура термостата, Tjtr,ax - максимальная температура перехода.

Z. При выборе напряжения коллектор-эмиттер (при 1в~0) Uceo в основном использовались зависимости Jc-í(Uce). снятые при измерении граничного напряжения коллектор-эмиттер i''.'cesas) •

Испытания СТ в режиме ТЭЦ являются общепринятыми в мировой практике, поскольку позволяют выявить дефекты конструкции, оценить качество контактов и правильность выбора применяемых материалов термокомпенсатора и токоведущих выводов. Проблемой при проведении этих испытаний является измерение

температуры перехода Т,. Для этого в качестве термочувствительного параметра использовалось прямое падение напряжения эмиттер-база(иев) • С помощью предварительного эксперимента на 50 транзисторах в температурном диапазоне от 50 до 150°С с шагом 25°С при токах база-эмиттер 10,50,100,150,200 мА были сняты типичные зависимости инв-ПТ]). В результате было-установлено, что выбранный нами термочувствительный параметр Пев с хорошей точностью равен (1.9+2.1) мВ/°С.

При организации испытаний СТ в режиме ТЭЦ соотношение между напряжением исЕ и током 1с было выбрано так,чтобы во-первых, ток коллектора достигал значения,близкого к предельно допустимому(для проверки качества и правильности расчета токоподводящих выводов и узлов),и, во-вторых, чтобы обеспечить такую рассеиваемую мощность, которая позволила бы получить температуру перехода Тзтах-145°С.

Наконец, целью испытаний в динамическом режиме является проверка работоспособности транзисторов в одном из режимов, близком к реальным условиям эксплуатации.Если испытания в "ждущем" режиме и режиме ТЭЦ проводятся при предельных значениях двух параметров (в "ждущем" режиме исЕО-исЕОтах. Тз-Т,тах и в режиме ТЭЦ Т,-Т.1тах, Iсметах).то динамические испытания проводятся при значениях 1Сщ. исЕ и Т, близких к предельно-допустимым. В данной работе максимальое значение температуры перехода устанавливалось с помощью регулировки частоты переключения испытуемых транзисторов(при конкретных условиях охлаждения).

Далее в этой главе (разд.2.2) по результатам испытаний проводится расчет ПН ОТ. В настоящей работе интенсивность отказов(И0) СТ оценивалась с помощью соотношения:

X (Ми^+г)--, (4)

[п-сКЫтн-!-^)

где сЦЬО и сКи-н) - число отказов в момент времени 11 и соответственно. Средняя наработка до отказа оценивалась по формуле:

_ Г с1 1

¡> | L ^(п-сШо |/п,

.1-1 I

где с! - число отказавших за время 10 приборов, п - количество испытуемых транзисторов.

Далее по описаной в работе методике проводилась обработка результатов испытаний СТ типа ТК235-63 различных классов в "ждущем" и динамическом режимах и в режиме ТЭЦ.ИО и длительность испытаний в указанных режимах приведены в табл.1.

При построении эмпирической функции распределения отказов для "ждущего" режима оказалось, что экспериментальные точки на вероятностной бумаге вейбулловского распределения ложатся (за исключением "хвостов") на прямую линию с наклоном равным 1.0.Так как при ц-1 распределение Вейбулла совпадает с экспоненциальным, то ИО данном режиме имеет постоянный х'аракгер. Одновременно по данным о результатах испытаний высоковольтных транзисторов типа ТК 4-го класса на рис.1 построена зависимость А(1) от 1/Т. Соединяя точки,соответствующие 140 и 1Б0°С прямой линией получаем зависимость типа закона Аррениуса. На рис.1 построены две зависимости:! - для всех отказов,2 - для параметрических отказов.Значение эквивалентной энергии активации Еа для прямой 1 равно приблизительно 1.73 эВ,а для прямой 2 - приблизительно 1.4 эВ.Кроме того, на сетке вейбуловского распределения построены эмпирические зависимости функции распределения отказов СТ в "ждущем" режиме при 140 и 150°С. Параметры распределения следующие: для Г/-150°С: 0-0.15, 81-4200(4); для Г,~140°С: 0-0.4, 8о-355(Ч). Далее, с 90% доверительной вероятностью получены значения: 1.3 Ю"5 1/ч и Хв<7.2 Ю-4 1/ч .

л

<А

К)"3 10*

Рис. I. Зависимость интенсивности отказов от температуры. I - все отказы, 2 - только параметр::веские.

Чч

\ ^ <

Ч\

Ч ч

—6 Г \ 1 Ч р- —17- Ю"4

-ч V

\

150 140 130 120 °С

Таблица 1.

! Режим | испытаний 1 1 1 1 1 *н,1/Ч 1*ср,1/Ч | 1/цик | 1/цик 1 1 ХвД/Ч 1/цик 1 Продолжи- | тельность |

I "Ждущий" I 1 ! 1 |1.7 10~3|1.1 10 3 ! | 6.7 10~4 210 час |

| Термоэлектро-! циклирование 1 1 ! 1 |2.6 10"5|4.4 10 5 1 1 (0.9-6.7) 10~5 5000 цик |

! Динамический 1 | см. выражение 1 (5) 1.5 10~3 500 час | |

Следует подчеркнуть,что ИО высоковольтных СТ типа ТК 90-го года выпуска хотя еще и низка по международным нормам,но уже на порядок выше, чем ИО низковольтных приборов,выпущенных ранее.Существенно изменилось и значение параметра 6, уменьшившееся от 1.0 до 0.16 ... 0.4.

На рис.2 на сетке вейбулловского распределения построена функция вероятностей отказов для СТ при испытаниях в режиме ТЭЦ.В этом режиме отказы СТ определяются распределением Вейбулла с параметром формы в-0.8 и параметром масштаба 8-2.3 104 циклов.

Анализ результатов испытаний СТ ТК235-63 в динамическом режиме показал, что отсутствует возможность описать закон распределения отказов одной функцией. Поэтому в данном случае была проведена дополнительная обработка данных. Сначала по критерию Барттлета проверялось,имеется ли у эмпирической функщи ИО тенденция к уменьшению. Так как с доверительной вероятностью 60% такая тенденция имеется, то далее проводилось сглаживание опытных данных. В результате сглаживания была получена невозрастающая эмпирическая ИО, показанная на рис.3 точечным пунктиром. Аппроксимация этой ступенчатой функции по методу наименьших квадратов приводит к зависимости

Т

о. О

/05 3 2

1.0 0.8 J_I_I

0,5 1

о.з

0,25

Р

99

95 90

50

50 АО 30

20

10

7.0 5.0

2,0 «.О

10*

Ж

0*

Рис.2. Закон распределения отказов транзисторов ТК235-63-1.0 в режиме ТЭЦ.

N , ЦИКЛ

\(П-0.53 10~3+6.5 10"3 ехр(-2.4 10"2 П.

(6)

Зта функция показана на рис.3 сплошной линией. Так как верхняя граница ИО равна 1.5 1СГ3 1/ч, то принимая за длительность периода приработки момент пересечения функции и горизонтали находим 1;в^85 час.

3 разд. 2.3 данной диссертации описан порядок проверки основных электрических параметров СТ (в том числе критериальных параметров) и их статистическая обработка. Электрофизические параметры транзисторов измерялись согласно ТУ, а статистическая обработка результатов измерения проводилась следующим образом.

Сначала с помощью вероятностной бумаги находился вид закона распределения той или иной величины, после чего определялись параметры законов распределения. В основном при обработке использовались нормальное и вейбулловское распределения.

Анализ результатов обработки показывает, что законы распределения основных параметров СТ удовлетворительно описываются нормальным и вейбулловским распределениями. НЧШ СТ з диапазоне частот от £0 до 5030 Гц характеризуется экспоненциальным распределением (Т.е. 0-1.0-соп5и с монотонно уменьшающейся частотой. Распределение т-фактора транзисторов в диапазоне прямых токов от Ю-4 до 10"1 А тоже описывается распределением Вейбулла с постоянным значением 8. Одновременно результаты обработки показывают, что после испытаний для критериальных параметров-наблюдается уход от перво-. начальных значений. Для выяснения причинно следственной связи между показателями надежности и технологией изготовления СТ серии ТК в конце 2-ой главы (разд.2.4) проводится качественный анализ причин отказов в различных режимах испытаний.

Количество параметрических и катастрофических отказов и значения 'АО для каждого режима и типа отказа приведены в табл.2.

Рис. 3. Эмпирическая функция интенсивности отказов транзисторов ТК223- 63 - 1,0 в динамическом режиме.

Таблица 2.

Вид 1 ! Количество Количество 1 1 i

испытаний | параметри- катастрофи- ио ио |

ческих от- ческих от- парамет. катастр.|

казов, шт. 1 казов, шт. 1

1 1 6.1 10"4 I 5.1 10~4[

"Ждущий" ! 6 1 5 1/4 1/4 1

Термоэлектро- 1 1 3.6 ю-5 1 3 Ю"6 1

циклирование 1 9 2 1/цик 1/цик |

1 1 2.3 10~4 1 8.5 10~4|

Динамический I з | 11 1/4 1/4 | »

Чтобы выявить причины отказов СТ проводилось вскрытие и анализ отказавших транзисторов. Результаты анализа показали, что каждый вид испытаний имеет "свой отказ", т.е. каждый режим генерирует и выявляет не все скрытые дефекты и технологические нарушения, а присущие именно ему. В частности:

- отказы во время "ждущего" режима были связаны с дефектами поверхности I после химического мезатравления переходов эмиттер-база обратный ток 1ево снизился до нормы ТУ, на поверхности коллекторного р-п перехода наблюдались расплавленные участки диаметром до 100 мкм);

- причины отказов СТ после испытаний в режиме ТЭЦ связаны только с дефектами контактов (низкое качество пайки,точечной сварки и т.д.);

- динамический режим выявляет объемные дефекты (после послойного травления кремниевых структур в объеме и на р-п переходах обнаружены расплавленные участки).

3 третьей главе диссертации описываются результаты экспериментального исследования вольтамперных и шумовых характеристик СТ. Сначала в разд.3.1 приведена методика определения т-фактора на основе графоаналитического метода. Да-

лее обсуждается проблема выбора тока,через р-п переход при определении т-фактора, поскольку от этого зависит эффективность отбраковки потенциально ненадежных СТ этим методом. Значение прямого тока в данной работе выбиралось из условия Саха и одновременно экспериментальным путем было установлено, что при определении т-фактора СТ серии ТК прямой ток должен лежать в диапазоне от 1СГ6 до Ю-1 А.

Кроме того, в том же разделе приведено описание установки для снятия зависимостей 11-1X1).

В разд.3.2 излагаются результаты исследования т-фактора для эмиттерных и коллекторных р-п переходов. Исследования показали, что ВАХ эмиттерных р-п переходов транзисторов серии ТК можно разделить на 5 участков:

- в диапазоне токов от 1СГ5 до 2 10~4 А: при этом ш-фактор меньше единицы;

- от (1*-2) 1СГ4 А до 5 1СГ4 А: т-фактор равен единице;

- в диапазоне 5 10~4*3 Ю-2 А: т-фактор становится больше единицы;

- начиная от (1*3) Ю-2 А до' 10"1 А ВАХ совпадает с рассчет-ной и т-фактор становится равным единице;

- у всех транзисторов ТК начиная от Ю-1 А ВАХ не подчиняется известному выражению Шокли и возрастает прямолинейно.

Обобщая сказанное, зависимость 1-1,(и) для эмиттерного р-п перехода СТ можно описать выражением, которое охватывает все указанные участки;

ЫЕВ1 ехр^инв/кТ)+1ЕВ2 ехр^иЕв/ткТ) +

(V)

1ЕВЗ ехр (БЧЕБ/кТ) +1!ев/гв

где 1ев1; 1ев2; 1евз - токи через змиттерный р-п переход.

Аналогично были исследованы ВАХ коллекторного р-п перехода СТ.Выяснилось,что в этом случае ВАХ можно разделить на два участка. На первом участке ВАХ незначительно отличается от расчетной (при этом т-фактор близок к единице),а на втором (начиная с 1пр-10~а А)- не подчиняется экспоненциальному закону. Сказанное дает основание утверждать,что

1-1св1 ехр^икт/кТНИсвг/гсв

(8)

где 1св - ток через р-п переход.

В третьей главе (разд.3.3) выбран оптимальный режим измерения т-фактора для отбраковки потенциально ненадежных СТ. Зто делается экспериментальным путем. Исследования показали, что ш-фактор эмиттерного перехода достигает максимума в двух диапазонах токов:

- от 2 1СГ4 А до 8 Ю-4 А

- от 2 10~3 А до 9 10~3 А.

Для отбраковки потенциально ненадежных СТ по НЧШ в разд.3.4 предложена установка для измерения НЧШ. Особенность данной установки заключается в том, что коллекторное питание СТ и питание усилителей осуществляется от аккумуляторных батарей. Установка обеспечивает напрчжение коллектор-эмиттер измеряемого транзистора до 400В и до 100А при 50В.Поскольку коэффициент усиления изменяется от транзистора к транзистору на установке перед измерением иш2 осуществляется измерение коэффициента усиления по напряжению (Ки) каждого СТ.что позволяет получить точное значение НЧШ.

В разд.3.5 настоящей главы приведены эквивалентные шумовые схемы транзисторов серии ТК. При построении эквивалентных шумовых схем учтены все источники НЧШ, возникающие в конкретном режиме работы СТ.В частности, при больших напряжениях на коллекторе-эмиттере СТ основным источником НЧШ является обратносмещенный коллекторный переход. Величинами контактных шумов базы, эмиттера и коллектора и генератором шума |/ ^-фэ можно пренебречь из-за малого значения токов через оба перехода. В этом случае (при отсечке СТ) выражение для эквивалентного шумового напряжения имеет вид:

_ __ __ __ 1К2 (ГВ+ГЕ)2(Ь21Е+1)

е~-евг+1в2 гвг + -+

1К2 (ГВ+ГЕ)2(Ь21Е+1)

--(9)

Ь21В

Б режимах, когда коллекторный ток значительно больше, а "Joe в несколько раз меньше напряжения класса, нчш в основном связан с дефектами змиттерного перехода. Соответствующее этому случаю общее шумовое напряжение имеет вид:

_ _______ 1~фс (ГВ+ГЕ)2№21Е+1)2

е2- е2в+12в гив+12фс г2в +--+

п21е (10)

i2C (Гв+ГЕ)'ЧЬ21Е+1)?' i2C (Гв+ГЕ)г(Ь21Е+1)2

¡"■¿ie ¡121b ■

где е2в - шумовое напряжение базы, í2b - источник шума, который отобратает Флуктуации тока базы; ге - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода; гв - объемное соп-ротивление'базы; i¿c - источник щума, вызванного флуктуацией тока коллектора; i^jc - генератор шумового тока, включенного параллельно ек.

Кроме того,, с целью исследования и снятия частотной зависимости НЧШ - í~(f~4) осуществлялись измерения в диапазоне от £00 Гц до 5000 Гц при токах (0.1+2.0) А и напряжениях на коллекторе-эмиттере до "О В. Одновременно, после снятия зависимостей й*шf(f~') определялся коэффициент т, который составляет до излома (излом линии и2ш - на-

блюдается во всех случаях измерения в районе частоты 1000 Гц) в среднем 1.73 и после него - 1.1.

Зля повышения эффективности отбраковки ненадежных CT, очень важно правильно выбирать режимы (Uce.Ic) измерения НЧШ. С этой целью в настоящем разделе проведен большой объем работ*по экспериментальному исследованию НЧШ CT серии ТК в зависимости от коллекторного тока и Uce- Сняты зависимости НЧШ от Ir (при частотах 20, 100, 500, 1000, БООО Гц) при напряжениях коллектор-эмиттер ?0 , 60., 50 , 40 , 30 , 20 В. Во всех случаях Uce. увеличение коллекторного тока приводит к повышению НЧШ. В диапазоне 1с-(1.5+25) А и Ь'се-(5+10) В в

отличие от предыдущих случаев нарушается прямолинейная зависимость от 1с, т.е. значение низкочастотного шума уменьшается при повышении 1с-

Наконец, в конце данного раздела сняты зависимости (й2сЕ) в следующих режимах:

- Исе-(4СН70) В, 1с-0.25 А; Г-(20+10000) ГЦ;

- и'сЕ-(5-30) В, 1с-2 А; Г-(20-5000) Гц.

Исследования показали,что зависимость НЧШ от коллекторного напряжения имеет степенной характер с а*3. Далее был осуществлен выбор оптимальных режимов для измерения плотности мощности НЧШ путем построения линий равной плотности мощности НЧШ СТ типа ГК на графике области безопасной работы (ОБР). Оптимальным режимом для измерения НЧШ оказался режим: Усе-20 В,1с~3 А при Г-(20*30) Гц.

Четвертая глава диссертации посвящена форматированному поиску информативных параметров и оценке возможности прогнозирования исходов испытания транзисторов серии ТК с помощью методов распознования образов. В разделе 4.1 описан метод распознования, который имеет простую структуру и может быть представлен в виде измеренных значений ш характеристик (признаков) XI ,Х2,... ,Х,1,, при этом количество наблюдений равно определенному числу п. Тогда распознование сводится к шп - аргументной функции вида К-(Хц,Х-х2. • ■ • Дз1»• • • >Хтп), где Х^-^'-ое измеренное значение 1-го признака, 1-1,2,... .]'-!,2,... ,п. Далее в разд.4.2 излагается основной алгоритм метода и анализируется оценка информативности параметров транзисторов по величине весовых коэффициентов.

При этом наводящий потенциал в пространстве признаков определяется выражением:

Ф(Х! X) - & + р (X! X)]'1; (И)

где 5,з,|3 - коэффициенты потенциальной функции, ар- рас-тояние между точкой X и текущей точкой Х2 в пространстве признаков. Расстояние между точками X и X! определяется с помощью выражения:

SB

WD

ввод исходных данных и нормировки ОВ

Вызывающая программа

SB INFRAR

основная подпрограма оценки информативности

БВ рдти

i генерация равномерно распределенных чисел

1

j

формирование текущей комбинации параметра

SB

INFI

поочередное исключение параметров из комбинации и формирование массивов прав, распознавания изделий

SB Я?1

скользящее распознование изделий

проверка на повторения текущей комбинацией сформированных ранее

обработка текущей комбинации параметров

формирование нормированного индекса информативности

ЗВ йЗДЙ

ранжирование массивов

печать результатов и вывод промежуточных результатов в рабочий файл

Рис.4. Блок-схема алгоритма подсчета Ш.

' 'ГШ 1

р(Х; - ! 2 а, (Х2., - X., )** 1 ; (1С)

»-1 1

где а, - весовой коэффициент признаков, ш - число признаков.

Опенка информативности контролируемых параметров представлена в разд.4.3. Информация от распознования всех точек обучающей выборки (ОВ), характеризующая информативность пространства признаков Ет, запишется в следующем виде:

Ьс-1 Е £ П ехрС-а1 (А^-АлП^-с-г Е С П ехр[-а! (В^-Аа)12:!

(13)

где с-ьсг - коэффициенты; А, ,!\1 ,В! ,В.} - классы обучающей выборки.

Развитие идеи оценки информативности признака по его вкладу в распознование каждого из классов ОВ, привело к понятию "индекс информативности" (ИИ): это нормированная оценка интегрального вклада данного признака в распознование каждого из классов. При его подсчете рассматриваются все возможные подмножества исходного множества признаков, содержащие этот признак.

3 разд.4.4 предлагается новый подход к оценке информативности на основе учета вклада каждого параметра в качество распознования обучающей выборки. Алгоритм подсчета ИИ был сформулирован'в виде блок-схемы (см. рис.4). Основным элементом является генерация случайным образом текущих подмножеств г;■заданного объема. Далее идет сравнение текущего подмножества с ранее сгенерированными и обработанными. При совпадении, генерируется новое подмноджество. Необходимо учитывать также и непригодность перестановок для наших целей. Оригинальное текущее подмножество передается для обработки в подпрограмму скользящего распознования, после чего подсчитываете^ тукущий ИИ, добавляемый к интегральному ИИ. Одновременно подсчитывается число включений в текущее подмножество каждого из исходных параметров. Эта величина необходима для подсчета интегрального нормированного ИИ, по величине и знаку которого происходит ранжирование всех ис-

ходных признаков по информативности: чем больше положительное значение ИИ. тем больше информативность.

Ограничение числа генерируемых текущих подмножеств задается пользователем со входа программы, так же как и ограничение числа генерируемых подмножеств заданного объема. Последнее ограничение вводится с целью устранения зацикливания программы при исчерпании всех возможных комбинации подмножеств.

По изложенному алгоритму на языке фортрана - N, написана программа INF, включающая в себя 6 подпрограмм, общей численностью 300 операторов. Программа позволяет проБоди-ть обработку одного материала за несколько приемов.

Наконец, в разд.4.5 приведен анализ результатов испытаний транзисторов серии ТК с использованием нового подхода. Полученные результаты оцениваются с позиции возможных моделей отказов для каждого вида испытания.

3 процессе обработки, для каждого режима был найден минимальный по численности набор параметров, обеспечивающий максимальную оценку правильных классификаций для OB. Интересно отметить, что для всех режимов в эти наборы вошел НЧШ на частоте 20 Гц и in-параметры. Для "ждущего" режима дополнительно необходимо знание значений НЧШ на частотах 130 и 1030 Гц. Для динамического режима требуется измерение параметров Rtho. toff и Uebs, а режим ТЭЦ требует измерения вместо параметра Uces параметра Iceo- Обсудим полученные результаты с учетом возможных моделей отказа.

Ждущий режим характеризуется одновременным воздействием напряжения (Uce-SO-^OO В) и температуры (T.i-ilO*115°C). Наиболее вероятная модель отказов в этом случае - перераспределение зарядов на поверхности кристалла и в объеме ЗШо- В результате проис ходит образование проводящих каналов на поверхности кристалла и в области р-п перехода.

3 режиме ТЭЦ дополнительно возможно накопление дислокаций и, под влиянием neper, ¡да температур, образование трещин в структуре и термокомп'.-нсаторе. Очевидно, что в этом случае важный становится параметр Rthj-o Информативность тока Iceo можно объяснить белее выраженными поверхностными эффектами (каналы, перемычга: и т.п.).

Динамический режим по воздействиям на транзистор объединяет режимы "ждущий" и ТЭЦ. Дополнительно, в этом режиме возможно появление микроплазм в объеме структуры и эффектов шнурования тока.-При таком широком спектре возможных механизмов отказа можно ожидать, что информативными будут не только т-параметры и НЧШ, но и различные напряжения и токи.

Целью пятой главы диссертации явилось рассмотрение вопроса о повышении надежности СТ путем отбраковки потенциально ненадежных приборов. В разд.5.1 эту задачу прелагается решать путем выжигания дефектных приборов. В данной работе ■этот метод имеет смысл рассматривать применительно к испытаниям СТ в динамическом режиме и режиме ТЭЦ, а для высоковольтных транзисторов также и в "ждущем" режиме. В динамическом режиме модель надежности имеет вид:

\а) - а, + 3 ехр(-сЛ) (14)

Степень эффективности отбраковки потенциально-ненадежных приборов при фиксированной ее длительности сильно зависит от параметров (5,«,О и соотношения времени отбраковки и^.) и длительности приработки ив). После некоторых преобразований можно получить соотношение между начальной после отбраковки ИО Х(0/13) и начальной ИО без отбраковки Л(0):

Х(0/Ь3)/\(0) - (4 + 3 ехр(-оЛ3))/ (£, + 5) (15)

а для имеем:

^Лв - (1п (г + (г-1)/а))/1п (т/а) (16)

где через г обозначено отношение Л(0/1:.<з)/А, а -5/г, и гп - (А(гв)-0/£, .Из (15) видно, что (Л(0/1£;))/А(0) есть экспоненциально убывающая от единицы функция. Из построенной зависимости (15) следует, что существенное снижение ИО вследствие тренировки достигается при значениях в пределах около .100 часов. Одновременно анализ зависимости (16) показывает. что по мере того, как значение г уменьшается, отношение растет от нуля до единицы и затем далее возрас-

тает неограниченно. Это означает, что в зависимости от значения параметра а всегда существует некотое предельное(критическое) значение г,меньше которого снижение ИО оказывается невозможным. При этом для достижения такого предельного значения время ts должно быть бесконечно большим.

Аналогично выражениям (15) и (16) были получены соотношения , которые показывают, насколько изменяется ВБР СТ вследствие тренировки. При этом из анализа выражения для t£/tB следует, что тренировка оказывает заметное влияние на надежность транзисторов, если она длится несколько десятков часов. Ecjfti же она проводится в течение одного часа (как это иногда бывает),то доля приборов, отбраковываемых за это вреця, по отношению ко всем приборам,отбраковываемым за период приработки, близка к 6Х.

В этом же разделе рассмотрена вторая модель надежности которая была принята для режима ТЭЦ..Анализ соотношения Tn - U(No/Ns))/A(No) показал,что (для No-1-Оц и 0-0.9,0.8, 0.5)с точки зрения снижения начальной ИО,тренировка большим числом циклов малоэффективна. Значение гм при 3-0.8 изменяется от 0.4 до 0.25 при увеличении Ns от 100 до 100О циклов.Область эффективного снижения гы лежит в диапазоне от нескольких циклов до 100, причем эффективность тем выше, чем меньше значение в.

Далее в разд.5.2 рассмотрена задача повышения надежности с .помощью отбраковки дефектных СТ по информативным параметрам. Для ответа на вопрос, как изменяется ИО СТ после операции распознования сначала сделаны два допущения;

- дефектные СТ - это именно те приборы, которые откажут в процессе эксплуатации;

- в процессе эксплуатации откажут как дефектные, так и другие, первоначально хорошие СТ.

В случае экспоненциального распределения отказов изменение ИО после процедуры распознования (A(t)) можно представить в виде:

\ít)A(t)-íl - Рв)/(1 + PBAt) (17)

где Рв - вероятность правильного распознования плохих при-

боров. Анализ (16) показывает, что ИО СТ в результате применения процедуры распознования монотонно убывает. Однако, полученные результаты справедливы в том случае, если считается, что в период приработки причины и механизмы отказов те ;ке, что и ь период нормальной эксплуатации. Такое предположение вполне обосновано для "ждущего" режима, ибо при постоянной ИО периода приработки просто нет, и довольно сомнительно для динамического режима и режима ТЭЦ. В случае динамического режима,т.е. когда существует 1в, необходимо проводить обучение распознающей системы на приборах, прошедших приработку.Поэтому, если верно второе допущение,то после некоторых преобразований вместо (17) получаем:

\(и/хи)-(1 - ХРв)/(1 - ХРВ + ХРВ/Я) (18)

Наконец, в разд.5.3 рассмотрен комплексный метод повышения надежности СТ. Предлагается, сначала провести тренировку в течение некоторого времени а потом вести отбраковку по информативным параметрам.

Основные результаты работы

1. Экспериментальным путем определены значения ПН серийных СТ и законы распределения отказов в различных режимах их работы. Впервые определена зависимость ИО СТ от температуры.

2. На основании проведенного анализа причин-и механизмов отказов СТ выбрана совокупность базовых режимов испытаний на надежность.

3. Впервые исследованы основные характеристики НЧШ СТ и их зависимость от коллекторного тока, напряжения и частоты.

4. Показана возможность использования методов теории распознования образов для оценки информативности различных параметров СТ с точки зрения их надежности. Выделена совокупность -наиболее информативных параметров применительно к каждому из базовых режимов. Использование этих параметров позволяет как проводить индивидуальную оценку надежности СТ,так и ускорять определение надежности партии приборов.

5. Показано.что надежность СТ может быть существенно повыше-

на с помощью тренировки, путем отбраковки потенциально ненадежных приборов по информативным параметрам,а также при совокупном применении обоих методов.

По теме диссертации опубликованы-следующие работы

1. Айрапетян В.К., Шпер В.Л. Исследование законов распределения параметров силовых транзисторов серии ТК.- Саранск, Труды МГУ им.Н.Л.Огарева, 13g/.

2. Айрапетян В.К., Крылов Б.В. Поиск информативных параметров при испытаниях силовых транзисторов на надежость./В кн.: Новые силовые полупроводниковые приборы и технология их изготовления.- М.: Из-во ВЭИ им.В.И.Ленина, 1991,с.158-166.

3. Айрапетян В.К., Саркисян С.Р. Прогнозирование надежности силовых транзисторов серии ТК с помощью низкочастотных шумов /Надежность силовых полупроводниковых приборов: тез. докладов. - Саранск, 1983.

4. Айрапетян В.К.»Григорьев A.M.,Шпер В.Л.Исследование надежности силовых транзисторов/Основные направления развития конструирования, технология и исследования силовых полупроводниковых приборов(тез.докл.) - М.:1991,с.98-107.

5. Айрапетян В.К..Крылов Б.В.Поиск информативных параметров силовых транзисторов/Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах(т е з.докл.)-Черноголовка:1990,с.39.

6. Айрапетян В.К. ,Андреас-ян A.A. Виды и механизмы отказов силовых транзисторов после испытаний на терыоэлектроцикдирова-ние и после наработки/Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (тез.докл.)-Черноголовка:1990,с.39-40.