半导体分立器件的失效与预防分析

时间:2019-09-27

　　半导体论文范文三：

　　题目：浅谈半导体分立器件的失效与预防

　　摘要：本文为研究在电应力的作用下, 半导体分立器件的可靠性能的影响因子, 对元器件失效现象进行了详细的分析研究并提出了有效的预防半导体分立器件失效的措施和建议。

　　关键词：半导体; 器件; 失效; 预防;

　　当今社会高速的发展, 使得电子信息技术得到了最广泛的应用, 同时, 大功率器件也呈现出快速的发展趋势。这里所指的功率较大的器件一般指为在1200V的电压及100A的电流控制范围内而未对半导体的分立器件发生损坏和损毁的。所以, 这种优良的性能保证也使得这些大功率的半导体分立器件在一些新式的大飞机上获得了一些非常普遍和广泛的应用效果。但是, 也由于在飞机的各个系统中, 电源系统也处于一个非常关键和重要的部位, 尤其在失功、失平衡、谐波、峰电压和浪涌电压等电子应力的进一步的作用下, 给大功率半导体分立器件在性能和使用周期上都带来了许多严重的威胁和隐患, 并已经发生过许多起比较严重和常见的一些问题, 导致进一步影响到了飞行训练和战训案例等。那么, 这个问题如何才能有效的得到进一步的解决, 如何把大功率半导体分立器件的可靠性发挥出来, 使大功率半导体分立器件具备高强的抗过度电性应力的性能和能力, 这些都是对整个飞机的电源体系和系统异常和关键性的问题所在。
 

　　1 半导体分立器件的失效分析的目的

　　大功率的半导体分立器的失效性分析的目的其实就是要严格的对一些失效的器件进行一系列的审查和把关, 进一步的核实其失效的模式、原因、过程、方位、原理和产生的一系列的结果, 同时, 更要防止再一次的发生这种失效或产生类似的失效机理, 还要是这种半导体分立器件的制造、设计、验证和改进上进行一系列的工作统筹和指导。所以, 必须进一步的选择正确的失效分析的方法和思路, 以最终获得最佳的解决问题方案。

　　2 大功率半导体分立器件的失效分析所需的设备及应用的资料

　　建立一个失效分析的实验室应该有相应的设备和一些所必需的资料:一是要有能够对器件的电特性检测的一些相关的电参数测试的设施设备。比如说:晶体管性能分析的曲线仪、显示波长器、电流表、测定器件参数仪器、电压表、信号发生器等等。二是要有一些能够按照规定的要求, 对器件的外部、芯片或衬底等进行一系列的表面点测的微观检测设备。如:各种显微镜、射线及透视照相系统、电子扫描设施等。三是要对这种大功率的半导体器件的构造、组成进行一些物理和化学的有效分析研究的设施。比如:红外扫描设备、激光扫描设备、声学探测设备、光辐显微镜和气相波谱仪等等。四是在失效过程分析中的一些辅助应用设备。比如说各种应力计、检测仪器、开封工具及测高低温箱等。五是去除金属层、钝化层、氧化层及进行一系列的染色、氧化和侵蚀等所使用到的一些化学的缺课和药品等。

　　3 大功率的半导体器件的失效分析人员确定

　　器件的失效分析人员必须具备一定的相关专业知识, 如:半导体器件专业知识、器件的设计常识、制造工艺、测试管理、可靠性评定和可靠性标准及可靠性在物理、化学和冶金等方面的相关专业知识, 而且要有一定的专业实践经验, 并经过正规的专业化技能培训, 考核合格后的上岗人员。

　　4 半导体器件失效的现场分析研究

　　半导体器件的失效分析研究人员, 不仅要有有关失效器件的实物, 还要掌握一定的相关失效器件的资料和信息。一是失效的基本信息掌握。这里主要包括半导体器件的出厂日期、生产标准和批号、数量和相对应的器件失效的数量、失效器件的来源、失效的各个主要阶段及特征、失效过程现象及一些主要的特性及参数。二是失效现场提供的信息。主要是指半导体器件失效时的所处的环境及作用的应力, 还有就是半导体器件工作的时间等。而在试验中发生的失效器件, 平方根是试验的类型、时间、作用应力、各个周期所提供的各项参数变化等。在运输的过程之中所失效的器件, 也要属于是整机生产的过程之中的一个阶段, 而这些主要阶段的器件在失效的时候的项目因子和作用应力也是属于现场信息的范围。而在整机中使用过的失效器件, 所包括的是由一整机的方位、整机所处于的工作环境、工作时间及所经历的历程, 失效器件对于这个整机所存在的意义及起到的重要作用及其降额因素、工作的偏离程度、输入及输出等一些常见的特性, 还有就是对于在排除失效器件时所应注重的出现的异常的情况和环境, 并应记录它的整机的工作故障所发生的现象和规律。三是这种半导体器件在构成与工艺之间的信息:这其中包含器件的一些设计功能、结构和构成、工艺材料及信息资料等。

　　5 大功率半导体器件失效的分析仪研究总结

　　在进行一系列的研究分析当中, 我们首先要真正掌握一些器件的失效现场的必要信息、失效器件的可靠参数测试的一些不可缺少的结果、及对器件的失效原因及模式要求的最终包含与确认信息和观察的进一步的结果掌握等。那么, 还要进一步的对于失效的原理进行分析研究, 做出相对有根据性的假设和定义, 从而能够掌握正确判断失效分析仪研究的方法、手段和确定具体的分析步骤以应对必要的检验的过程。

　　6 大功率半导体分立器件的失效分析程序及步骤

　　这种程序是非常严格和正规, 是对器件失效的分析研究的方法的一种集中式的总结和有机组合的一个整体, 它的主要步骤和检验分析顺序为先从外部开始, 而后向内部检测, 它的原则是先为非破坏性、半破坏性和后破坏性的分析研究的原则和规律, 要进一步的依据器件的种类、封装所处的环境及形式和报告所提出的一系列的失效的模式因素来最终决定是否采取的失效分析总结程序。也可在必要时, 进行一系列的程序修改和有附加条件的试验总结。具体步骤如下:一是对于器件失效的历史记录进行修订和完善;二是要进行必要的外观显微式检查;三是进行必要的电性能的失效程序验证和设置;四是从两个方向上进行射线无损检查;五是进一步的拟定有可能的失效模式机理和原则, 从而可进行封装密封性的试测、电性能的测试和环境试验等。

　　7 大功率半导体分立器件失效的主要原因

　　7.1 器件由于自身存在的缺陷而导致的失效原因

　　一个半导体分立器件本身就有可能存在一定的缺陷, 如:其表面会产生裂纹、金属属性电的转移、氧化层会发生一定的缺陷、金属化的不良反应、在半导体应用材料上的缺陷和表面不清洁及空洞的焊料方面存在的缺陷等。而其中最为普遍的是焊料的空洞缺陷。这其中缺陷发生的根本原因则是整流二极管由于工作的时间较长, 会发生大量的热量, 并沿着管体的相关部位进行一系列的热传递工作, 而当这些热量向芯片的焊料结合面进行传递时, 如果芯片焊料的结合表面接触完好, 热量就会直接的传到散热片上, 由散热片把这些热量向空气扩散和散发出去, 从而会达到有效散热的作用和目的。但也由于这些半导体的分立器件在生产制作的过程之中, 也是由于一些工艺不到位方面的原因, 使得一些的焊料的内部会形成一些气泡状的空洞, 这种空洞极有可能导致传热系数变低, 成为了一种传热性能不良的导体, 这种直接的后果是造成了分立器件的散热性能不良, 热力要是集中在一起使得在一定的局部范围和区域内的温度瞬间升高。而这些存在于空洞的气体在热循环的作用下也会产生膨胀和收缩的应力作用, 那么, 这些空洞就会成为这些过往应力集中作用的地方, 形成一个又一个的应力集中点。而由于这种热量的传递是一个连续不断的过程, 所以, 所产生的应力也会持续不断, 中间没有间断, 就会使得应力的作用不断的向四周扩展, 最终在这种不间断的应力的作用下产生许多裂纹, 而这些裂纹会在不断应力的作用下逐步扩大, 逐渐朝着器件的内部延伸, 最终导致宏观裂纹的出现和发生, 以上所阐述的也就是应力裂纹所产生的最根本、最直接的一种原因。那么, 在热量集中释放的过程之中, 又会逐渐的加大裂纹所产生的裂度, 使得裂纹进一步的扩散和发展, 最终也会导致整流的二极管发生短路的这样的结果, 而会在大的电流的冲击下, 最终产生半导体分立器件失效的现象和故障。

　　7.2 因使用不当而最终会导致的失效故障

　　有些半导体的分立器件在使用时, 因为各种不确定因素的原因, 会产生一些使用不当的效果, 就有可能最终造成失效比例高的现象发生和出现, 有的甚至会达到百分之五十以上的结果。一是原发性的原因, 主要是由于应用的电路系统在设计上存在着缺陷, 致使分立器件在合理使用的过程之中出现了过流、过高压和过大功率等现象, 产生失效的结果。二是在电性能的系统中发生的过大功率的负载情况, 由于缺乏有效的保护手段, 致使分立器件会发生失效。三是在应用系统的使用过程中并没有合理的采取一些标准严格的防静电的有效方案。四是器件的设计者本身业务工作掌握不熟练, 对元器件的使用条件还缺乏一定的认识和了解, 使所采用的元器件并不真正的符合使用的要求和标准, 导致元器件在超出应力的条件和范围下, 长期的不规范的使用而最终导致器件发生失效的后果。

　　8 半导体分立器件失效的预防

　　实验证明, 元器件的失效是与工作电压有着直接和间接的关系, 工作超电压会使器件的使用寿命变短。尤其在飞机的供电系统设备中, 这种传感性能的用电设备少说也有数百个之多, 而且这些传感性能的用电设备还呈现出一种在短时间内连续不间断的工作状态, 而电感性的负载在脱离电网的一暖意也会发生尖峰电压的现象, 这种现象给器件本身带来了非常巨大的破坏性的作用。为了避免这种现象的重复发生, 可以应用两种有效的预防方法:一是在产生较高的尖峰电压的设备和装置的出口处, 采取一种叫做削峰的预防措施, 把这种有破坏力的尖峰电压有效的限制在元器件本身的电路循环之中, 避免尖峰电压进入在配电设置系统和网络之中;二是在器件电源非常集中的入口处, 用吸收装置对尖峰电压进行有效的吸收处理, 以预防配电系统中的尖峰电压进入到配电系统之中。

　　参考文献
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