國(guó)內(nèi)航天用電子元器件有嚴(yán)格的超期復(fù)驗(yàn)規(guī)定，航天各院都有自己的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容大同小異［１］。半導(dǎo)體器件在Ι類貯存條件下的有效貯存期zui早規(guī)定為３年，后放寬到４年，zui近某重點(diǎn)工程對(duì)進(jìn)口器件又放寬到５年，比較隨意。同時(shí)規(guī)定，每批元器件的超期復(fù)驗(yàn)不得超過２次。

美軍標(biāo)規(guī)定對(duì)貯存超過３６個(gè)月的器件在發(fā)貨前進(jìn)行Ａ１分組、Ａ２分組以及可焊性檢驗(yàn)［２］，并沒有有效貯存期的規(guī)定。

在俄羅斯軍用標(biāo)準(zhǔn)中，半導(dǎo)體器件的zui短貯存期一般為２５年，器件的服務(wù)期長(zhǎng)達(dá)３５年，和俄羅斯戰(zhàn)略武器的設(shè)計(jì)壽命３０年相適應(yīng)。

然而，國(guó)內(nèi)對(duì)于半導(dǎo)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(rèn)識(shí)上存在著誤區(qū)。國(guó)內(nèi)的超期復(fù)驗(yàn)的規(guī)定過嚴(yán)，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(jìn)度，尤其是進(jìn)口器件，訂貨周期長(zhǎng)，有的到貨不久就要復(fù)驗(yàn)，在經(jīng)濟(jì)上損失極大。

２ 芯片和管芯的壽命預(yù)計(jì)

高可靠半導(dǎo)體器件通常采用成熟的工藝、保守的設(shè)計(jì)（余量大）、嚴(yán)格的質(zhì)量控制、封帽前的鏡檢和封帽后的多項(xiàng)篩選，有效剔除了早期失效器件。用常規(guī)的壽命試驗(yàn)方法無法評(píng)估其可靠性水平，一般采用加速壽命試驗(yàn)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(zhǎng)，通常大于１０８ｈ，取決于失效機(jī)構(gòu)激活能和器件的使用結(jié)溫。

隨著工藝技術(shù)的進(jìn)展，半導(dǎo)體器件的激活能每年大約增長(zhǎng)３％。據(jù)報(bào)道１９７５年的激活能為０６ｅＶ，１９９５年增長(zhǎng)到１０ｅＶ，其ＭＴＴＦ每隔１５年增長(zhǎng)一倍，加速系數(shù)每隔５年增長(zhǎng)一倍。

化合物半導(dǎo)體器件微波性能*，可靠性高，自８０年代以來，在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。已報(bào)道的ＧａＡｓＦＥＴ，ＨＢＴ，ＭＭＩＣ電路的激活能一般都大于１５ｅＶ，即加速系數(shù)非常大。ＭＴＴＦ的報(bào)道在１０９～１０１１ｈ，外推至溝道溫度１００℃。

加速壽命試驗(yàn)?zāi)鼙┞缎酒蚬苄镜闹饕C(jī)理有：金屬化條電遷移、氧化層中和氧化物與半導(dǎo)體界面上的可動(dòng)電荷、電擊穿、界面上的金屬化與半導(dǎo)體的相互作用以及金屬間化合物等。

３ 超期復(fù)驗(yàn)和有效貯存期

由于半導(dǎo)體器件的芯片和管芯的壽命極長(zhǎng)，因此超期復(fù)驗(yàn)的重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注與器件封裝有關(guān)的失效機(jī)理。例如器件的外引線在多年貯存以后，有的會(huì)產(chǎn)生銹蝕，影響到可焊性，在裝機(jī)后易產(chǎn)生虛焊故障和密封性不良的器件。在長(zhǎng)期貯存中，水汽會(huì)進(jìn)入管殼，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，使內(nèi)引線鍵合失效或電參數(shù)退化。不過對(duì)于密封性良好的器件，如漏率小于１０-９Ｐａ•ｍ３／ｓ，其腔體內(nèi)外９０％氣體交換時(shí)間為２０年，可以忽略外部水汽的影響。

在美軍標(biāo)ＭＩＬ-Ｍ-３８５１０微電路總規(guī)范中規(guī)定：對(duì)制造廠存放超過３６個(gè)月的微電路在發(fā)貨前只要求重新進(jìn)行Ｂ-３分組的可焊性試驗(yàn)，不要求重新進(jìn)行Ａ組檢驗(yàn)，也沒有有效貯存期的限制。俄羅斯對(duì)電子元器件的貯存性評(píng)估方法已制定了標(biāo)準(zhǔn)［３］，其中有加速貯存和長(zhǎng)期貯存兩種試驗(yàn)方法，即使采用了加速貯存方法，也要積累多年的數(shù)據(jù)，也只能部分替代常規(guī)貯存試驗(yàn)。因此俄羅斯對(duì)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(jù)的。

我國(guó)航天部門提出的有效貯存期的依據(jù)并不充分，其３～５年的規(guī)定比較保守，各部門提出的規(guī)定也大同小異，建議對(duì)電子元器件制定統(tǒng)一的超期復(fù)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。有必要吸收俄羅斯的經(jīng)驗(yàn)，因其標(biāo)準(zhǔn)體系相當(dāng)嚴(yán)密，基礎(chǔ)工作非常扎實(shí)，俄羅斯“和平號(hào)空間站”設(shè)計(jì)壽命為５年，而實(shí)際服務(wù)期限已超過１５年，就是很好的例證。

４ 半導(dǎo)體器件長(zhǎng)期貯存實(shí)例

４．１ 美國(guó)宇航級(jí)晶體管

ＪＡＮＳ２Ｎ２２１９ＡＬ為硅ｎｐｎ開關(guān)晶體管， ＰＣＭ為８００ｍＷ，采用ＴＯ３９封裝，該批器件的生產(chǎn)日期為１９８０年，數(shù)量為４２支。宇航級(jí)晶體管為美國(guó)軍用半導(dǎo)體器件中zui高的產(chǎn)品保證等級(jí)，它體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體器件的zui高質(zhì)量水平。

我們從１９９８年開始對(duì)該批器件進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)和檢測(cè)，并于１９９９年進(jìn)行了報(bào)道［４］。當(dāng)時(shí)任抽１０支管子進(jìn)行過６０００ｈ的全功率壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)以后電參數(shù)變化極小， ｈＦＥ先略微變大，過峰值后又略微變小，相對(duì)變化幅度小于２％。當(dāng)時(shí)這批器件已經(jīng)貯存了１７年，可見長(zhǎng)期貯存對(duì)它的使用可靠性無影響。

２００６年又對(duì)全部樣品進(jìn)行了電參數(shù)復(fù)測(cè)，ｈＦＥ和１９９８年的參數(shù)全部吻合，沒有明顯的變化，證明了宇航級(jí)器件在實(shí)驗(yàn)室條件下貯存壽命極長(zhǎng)，到目前為止已經(jīng)貯存２６年沒有發(fā)現(xiàn)電參數(shù)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(nèi)部水汽含量抽檢２支為２１５６和２３４３×１０－６，均小于５０００×１０－６，管殼內(nèi)９９.７％為氮?dú)猓鹾績(jī)H為１００×１０－６。

４.２ 特軍級(jí)晶體管

ＪＴＸ２Ｎ２４０５為硅ｎｐｎ開關(guān)晶體管， ＰＣＭ為１Ｗ，ＴＯ-３９封裝，生產(chǎn)日期為１９７４年，已經(jīng)貯存了３２年。特軍級(jí)晶體管的質(zhì)量等級(jí)高于普軍級(jí)（ＪＡＮ），該批器件數(shù)量較大，共２０６支，管芯的圖形較大，ＩＣＭ為１Ａ，內(nèi)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(duì)電參數(shù)進(jìn)行過多次檢測(cè)，全部符合規(guī)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(zhì)量良好，沒有銹蝕現(xiàn)象，任抽１０支樣管做可焊性試驗(yàn)，全部合格，氣密性經(jīng)檢測(cè)漏率小于１０９Ｐａ•ｍ３／ｓ。

４.３ 早期的宇航級(jí)晶體管

ＪＡＮＳ２Ｎ２２２２Ａ為硅小功率開關(guān)晶體管，ＴＯ-１８封裝，相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)管３ＤＫ３，該批產(chǎn)品共５支，生產(chǎn)日期為１９７１年，已經(jīng)貯存了３５年，是美國(guó)ＴＩ公司早期生產(chǎn)的宇航級(jí)晶體管。經(jīng)電參數(shù)檢測(cè)，全部符合規(guī)范要求，ｈＦＥ在微電流下也沒有退化。

該管內(nèi)引線采用當(dāng)時(shí)典型的金絲球焊工藝，經(jīng)過ＤＰＡ檢測(cè)，內(nèi)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(huì)產(chǎn)生多種金鋁化合物，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生開路失效，因此ＴＩ公司在８０年代生產(chǎn)的宇航級(jí)晶體管２Ｎ２２１９中內(nèi)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(shù)據(jù)來看，金絲球焊的鍵合拉力在貯存３５年后，確有退化，２.９ｇ數(shù)據(jù)為鍵合點(diǎn)脫開，６.５ｇ為金絲拉斷。該批器件的氣密性良好，經(jīng)檢測(cè)漏率為１０-９Ｐａ•ｍ３／ｓ范圍。

４.４ 國(guó)產(chǎn)晶體管長(zhǎng)期儲(chǔ)存實(shí)例

國(guó)家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心從１９８４年起對(duì)各種國(guó)產(chǎn)高頻小功率晶體管進(jìn)行了許可證確認(rèn)試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)每個(gè)品種從工廠抽樣１５０支，用６０支分別進(jìn)行高溫儲(chǔ)存、工作壽命和環(huán)境試驗(yàn)，其余留作仲裁用。全部樣品在Ⅰ類貯存條件的試驗(yàn)室保存了２０多年，從２００６年開始進(jìn)行了長(zhǎng)期貯存器件可靠性研究，現(xiàn)報(bào)道其中一例。

３ＤＧ７９晶體管為中放ＡＧＣ管，生產(chǎn)時(shí)間為１９８３年，對(duì)庫存１００多支樣管進(jìn)行了常溫電參數(shù)測(cè)試，全部符合規(guī)范要求，對(duì)其中５支標(biāo)樣進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)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(jī)理，但未超出壽命試驗(yàn)失效判據(jù)（３０％）。

５ 結(jié)論

高可靠半導(dǎo)體器件的貯存壽命極長(zhǎng)，對(duì)于氣密性良好的金屬或陶瓷封裝器件，如果內(nèi)部水汽含量小于５０００×１０-６，外引線鍍層質(zhì)量良好，在Ⅰ類條件的貯存期限可達(dá)到２５年，甚至更長(zhǎng)。

我國(guó)航天部門制訂的超期復(fù)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于有效貯存期訂的過嚴(yán)，建議參考俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)作必要的修訂，作為過渡方案，可以將半導(dǎo)體器件的有效貯存期先放寬到５年，這在某重點(diǎn)工程中已證明是可行的。

國(guó)內(nèi)有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)電子元器件貯存可靠性及評(píng)估技術(shù)研究，制定相應(yīng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

半導(dǎo)體器件的貯存壽命（宏展科技）