改变电极层材料 存储器抗硫化效果突飞猛进

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随着工业应用情境日趋复杂、智能应用装置多元化发展,与边缘运算终端装置崛起趋势,抗硫化议题近年来已从特殊应用跃居市场主流,更被寄望成为存储器模组市场的新一波成长动能。从面临传统硫化环境威胁的工业电脑、伺服器应用,到时常处于开放式环境的边缘运算装置,乃至追求极高可靠度的全工业级应用,工控市场全面采用抗硫化产品的时机俨然成熟。

存储器失效推动抗硫化需求

自2016年全球首款专利抗硫化存储器模组于市场上发表以来,逐步带动工控市场对于硫化议题的重视;“抗硫化”也从过去鲜为人关注的加值应用,一跃成为全球工业级存储器技术发展的核心议题之一;而回顾抗硫化存储器模组开发背景,缘起可追溯自应用端存储器的失效分析结果。

针对失效存储器进行分析发现,失效产品多处电阻阻值呈现异常(图1)增加或开路现象,使用电子显微镜(SEM)观测异常电阻,发现在电阻保护层与电镀层交界处存在黑色结晶物质;进一步进行EDS检测分析以确认黑色结晶物质成份,发现电阻Pin2和Pin3上电极层银(Ag)存在含硫物质成份。

图1 存储器失效会呈现电阻阻值异常。

概括而言,硫化现象大抵可以两个征兆作为观察指标:

1.失效产品存在电阻阻值异常增加或开路(Open Circuit)现象。

2.失效产品电阻覆盖黑色晶体物质。

结合应用端环境分析,该失效产品实际应用于高温、含油、含硫环境,导致使用仅一年余即发生失效问题,短于正常使用寿命。综合观察量测及SEM/EDS分析数据结果,确认产品失效原因为存储器电阻受到硫(S)侵蚀,硫与电阻导体银(Ag)产生硫化反应后,生成不导电的硫化银(Ag2S),导致电阻阻值大于正常电阻标准阻值15Ω,甚至呈现开路情形。

合金材质决定实质抗硫效果

不同于一般标准型存储器模组相对稳定的应用环境,工业电脑常需于高温、高湿以及高污染环境下运作。随着环境污染问题日益恶化,空气中浓度超标的悬浮微粒含有大量硫化气体硫化氢(H2S),空气中的硫化氢从电阻缝隙进入,容易与电阻中作为导体的电极层的银(Ag)材料化合,产生绝缘体硫化银(Ag2S),导致电阻阻值增加,从导体变成不导电的绝缘体,甚至形成开路而失效,影响存储器模组正常运作(图2)。

图2 抗硫化形成示意图

一般对于含硫环境的认知,除了较常被提及的温泉火山气体、工业厂区的化石燃料燃烧,甚至是地下水道或污水区的废水排放,或日常环境中的酸雨污染、雾霾危害、车辆排放,与石油、润滑剂、橡胶、轮胎等工业应用产品都已被认为含有大量硫化物,可能导致电子元件产生硫化现象。尤有甚者,高温亦会加速电阻硫化的形成,使存储器日益受损耗弱,进而缩短产品使用期限与耐用度。

传统的抗硫化技术,多仅于电阻保护层或电极层作特殊耐硫处理,或以涂层防护(Conformal Coating)来隔绝硫化气体之硫分子,如透过加长保护层,增加电极端覆盖于保护层面积,以降低外在气体从交接处渗入,延长产品耐硫的寿命;或于电极层上使用耐硫材料增加一耐硫层包覆,避免电极层与硫化气体直接接触,以加强电阻对硫化气体的防护能力(表1)。然而此种方法只能达到暂时防护功效,仅能延后硫化现象发生;且常因制程问题,出现耐硫层的偏移或不良,而影响其抗硫化效果。

而新一代的抗硫化技术,则从改变电极层材料着手,以合金材质取代原电极层银材料。于合金材质的选用,依抗硫效果可分为三种层级:

1.银钯合金,于既有电极层的银材料中加入贵金属钯。

2.高银钯合金,提高合金材质中的钯含量。

3.金银钯合金,由金、银与钯结合而成的特殊合金材料,可有效防止电阻电极层银与空气中的硫分子进行化学作用,达到最高的抗硫化效果;即使在高温之环境下,也能达到防止硫化腐蚀之效果。

另一方面,此一最高等级金银钯合金材质电阻,亦可通过电器性能、机械性能与环境性能的测试验证,确保控制与传导电流时之导通性,于实现最高等级抗硫化效果之余,亦不会影响电极元件效能(图3)。

图3 最高等级抗硫化技术采用金银钯合金材质。

抗硫化电阻防护提升工业级存储器可靠度

电子产品硫化问题,对需要高可靠度与长时间运作的工业电脑系统而言,有其重要性与急迫性。硫化威胁无所不在,一般常见的工业作业条件,其中就可能隐藏含硫化学成分,如:石油、橡胶基粘合剂、植物精油(烃类植物)、废弃物/污染物处理设施等。

为解决存储器硫化问题,并满足工业级产品面对严苛环境的需求,抗硫化存储器模组开发,不仅应采用最高等级金银钯合金材质,更须确保产品通过如AEC-Q200等繁复测试条件与规范,以最严苛之测试条件确保抗硫化效果。

一般抗硫化测试标准,仅于高温(50℃)、高浓度含硫环境下测试500~750小时;实际以超越抗硫化ASTM B809-95测试规范测试最高等级抗硫化存储器模组,于测试环境设置固体硫粉(50g/2400ML),将产品置于高浓度含硫的密封环境中,并将测试环境温度调整至105℃,以加速硫化反应形成。

测试过程中每隔七天取出量测记录电阻阻值的变化,持续测试七周后,结果显示于105℃的高温、高浓度含硫环境下,最高等级抗硫化存储器成功通过49天的测试,电阻阻值正常,未出现任何硫化腐蚀现象,稳定正常运作超过1,000小时,仍无损其抗硫化效果与耐用度。

由测试结果可看出,与一般存储器于200小时便会因硫化产生失效问题相较,采用金银钯合金材质电阻的存储器模组可提升抗硫化耐用度达5倍以上,确保产品可靠度与耐用度,满足系统长时间稳定运作需求,进而有效提升系统整体寿命(表2)。

智能装置多元发展 抗硫化应用百花齐放

抗硫化电阻最早乃基于车用电子的需求而研发,在全球首款抗硫化存储器模组研发前,业界对存储器硫化原因尚未能有清楚的认识,也未意识到硫化议题重要性。

然而,随着车用电子逐渐成为各大科技厂于半导体终端应用市场布局重点,推升车载存储器需求;加上多位于条件严苛且复杂环境的边缘运算装置数量呈爆发性成长,应用端对具备实质抗硫化效果的工业用存储器模组需求也随之成长,带动抗硫化存储器模组于各垂直市场采用率,逐步扩大于所有高温、高湿、含硫环境的工业级应用,如采矿控制系统、国防航太、汽车电子、工业设备、网通与伺服器产品,彻底解决困扰工业电脑产业多年的问题。

另一方面,IPC产业领导厂商亦持续关注存储器硫化问题,深知存储器硫化对工业电脑、网通与伺服器产品可靠度及使用寿命影响甚钜,要求全面导入抗硫化存储器模组,期能提升工业电脑对抗恶劣环境能力,并借此增进产品附加价值并创造差异化。

综上所述,抗硫化议题成为产业焦点,而台湾从中扮演了关键角色。观察抗硫化存储器模组采用情形,自最高等级抗硫化存储器模组开发以来,已成功解决使用者痛点,应用上也未再出现任何电阻硫化问题。像是台湾科技厂宇瞻开发之抗硫化存储器模组,其产品发表后已陆续于美国、台湾、中国取得专利(表3),并于2018年进一步扩大抗硫化技术应用,大规模拓展抗硫化产品布局至工业用存储器DDR4、DDR3规格。抗硫化存储器模组可望成为从云端到终端,从资料中心、伺服器到边缘装置的标准规格,为全球存储器模组市场开展新方向。

(本文作者为宇瞻科技技术支援部高级工程师)


责编: 刘洋
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