半導(dǎo)體器件失效機(jī)理與原因分析

對(duì)于開關(guān)電源等電子設(shè)備所用的元器件的質(zhì)量要求也是越來越高，而半導(dǎo)體器件的廣泛使用，它的壽命經(jīng)過了性能退化，最終導(dǎo)致了失效。失效分析可深入了解失效的機(jī)理和原因，并導(dǎo)致元件和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)，這樣就有助于改進(jìn)電子系統(tǒng)的可靠性。

研究人員曾對(duì)器件失效作過深入研究，建立了各種模型或研究出各種公式，我們可用它們來預(yù)計(jì)器件何時(shí)失效。這些模型不能預(yù)計(jì)特定器件何時(shí)會(huì)失效，但能以充分的理由預(yù)計(jì)器件在特定條件下的失效率。

器件失效通常是因?yàn)樗?jīng)受的應(yīng)力條件超過其最大額定值所造成的。器件失效的方式被稱為失效機(jī)理。一般來說，電應(yīng)力、熱應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力、輻射應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力以及其它因素可導(dǎo)致器件失效。劃清失效機(jī)理與失效原因之間的界限是至關(guān)重要的。例如，器件有可能因機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的電氣機(jī)理造成失效。

半導(dǎo)體的常見失效機(jī)理大致可為分為幾個(gè)類別。深入了解這些機(jī)理，有助于我們準(zhǔn)確測定器件失效，并對(duì)失效加以分析。

1、失效機(jī)理與原因分析

封裝失效

當(dāng)管殼出現(xiàn)裂紋時(shí)就會(huì)發(fā)生封裝失效。機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力或封裝材料與金屬之間的熱膨脹系數(shù)失配可使裂紋形成。當(dāng)濕度較高或器件接觸到焊劑、清潔劑等物質(zhì)時(shí)，這些裂紋就成為潮氣入侵管殼的通路?；瘜W(xué)反應(yīng)可使器件劣化，從而導(dǎo)致器件失效。

引線鍵合失效

因大電流通過造成的熱過應(yīng)力、因鍵合不當(dāng)造成的鍵合引線上的機(jī)械應(yīng)力、鍵合引線與芯片之間的界面上的裂紋、硅的電遷移以及過大的鍵合壓力都會(huì)造成引線鍵合失效。

芯片粘結(jié)失效

芯片與襯底之間接觸不當(dāng)可降低它們之間的導(dǎo)熱性。因此，芯片會(huì)出現(xiàn)過熱，從而導(dǎo)致應(yīng)力加大和開裂，最終使器件失效。

體硅缺陷

有時(shí)候，晶體缺陷引起的故障或硅體材料中的雜質(zhì)和玷污物的存在也會(huì)使器件失效。器件生產(chǎn)期間由擴(kuò)散問題引起的工藝缺陷也會(huì)使器件失效。

氧化層缺陷

靜電放電和通過引線擴(kuò)展的高壓瞬變可使薄氧化層即絕緣體擊穿，并導(dǎo)致器件失靈。氧化層的裂紋和或劃痕以及氧化物中雜質(zhì)的存在也能使器件失效。

鋁－金屬缺陷

這些缺陷是由下列原因造成的：

—由于高電場引起的按電流方向發(fā)生的鋁的電遷移；

—由于大電流產(chǎn)生的電過應(yīng)力造成的鋁導(dǎo)體損毀；

—鋁腐蝕；

—焊接引起的金屬磨損；

—接觸窗口上的異常金屬沉積；

—小丘和裂紋的形成。

器件通常要經(jīng)歷1個(gè)特定事件或經(jīng)受1組條件才能失效。本文的其余章節(jié)描述了可造成失效的最常見事件或條件。通過了解這些原因，技術(shù)人員就可進(jìn)行深入的失效分析，以生產(chǎn)出更可靠的產(chǎn)品。然而，必須記住，器件、PCB或最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致器件失效的條件。

2、熱過應(yīng)力

熱過應(yīng)力可使半導(dǎo)體失效。溫度過高會(huì)熔化金屬材料、使塑料炭化、翹曲，使半導(dǎo)體芯片損毀，并導(dǎo)致其它類型的損傷。一般來說，器件不應(yīng)在125～150℃以上的結(jié)溫下工作。軍品要把結(jié)溫限制在110℃。用阿列尼斯(Arrhenius)公式來計(jì)算，我們可看出，把器件結(jié)溫從160℃降到135℃，失效率可減小一半。

如果高溫造成了失效，就應(yīng)向產(chǎn)品設(shè)計(jì)師通報(bào)。設(shè)計(jì)師必須重新考慮產(chǎn)品封裝和工作規(guī)范，以保證風(fēng)機(jī)、散熱片和其它冷卻裝置能使器件保持規(guī)范所定的溫度范圍內(nèi)。大功率器件需要散熱片和風(fēng)機(jī)來冷卻，而小功率器件則可簡單地把熱量擴(kuò)散到周圍空氣中。這樣，測試工程師必須在測試期保證散熱片和風(fēng)機(jī)處于適當(dāng)位置，或保證其它散熱裝置能足以冷卻正在進(jìn)行測試的器件。

測試工程師還必須監(jiān)視功率半導(dǎo)體和組件的溫度變化，以保證它們在安全的溫度下正常工作。

3、電過應(yīng)力

半導(dǎo)體器件應(yīng)在制造廠規(guī)定的電壓與電流范圍和功率極限內(nèi)工作。當(dāng)器件在超過這些安全工作條件下運(yùn)行時(shí)，電過應(yīng)力就會(huì)造成器件內(nèi)部電壓擊穿，從而使器件損毀。如果電過應(yīng)力產(chǎn)生較大電流的話，器件就會(huì)過熱，這種熱過應(yīng)力成為加速器件失效的因素。

電路設(shè)計(jì)師通過降額使用元器件，就可把電過應(yīng)力失效減至最少。此外，在電路設(shè)計(jì)中，加入諸如齊納二極管、變阻器和濾波器之類的保護(hù)器是防止過應(yīng)力到達(dá)關(guān)鍵器件上的有效措施。

不管是在器件的制造、測試、搬運(yùn)、組裝、生產(chǎn)階段還是在使用階段，靜電放電(ESD)都會(huì)損害電子器件的功能。由于摩擦生電，在地毯上行走的人可產(chǎn)生20KV那么高的靜電。此外，使用塑料部件的機(jī)器也會(huì)產(chǎn)生靜電放電，很明顯，如果把這種靜電擴(kuò)散到半導(dǎo)體中去，必然會(huì)破壞器件。

ESD不一定馬上使器件失效，它可在器件中造成潛在缺陷，并在測試階段中難于檢測到。當(dāng)系統(tǒng)在實(shí)際工作條件下運(yùn)行時(shí)，這樣的弱化器件就有可能很快失效。

一般來說，ESD損傷以下列方式表現(xiàn)出來：

—放電或電過應(yīng)力對(duì)器件造成損傷。損傷會(huì)導(dǎo)致大于正常電流的電流產(chǎn)生，從而導(dǎo)致熱過應(yīng)力的產(chǎn)生。熱過應(yīng)力會(huì)熔化金屬互連線，并對(duì)結(jié)造成損傷。

—強(qiáng)電場使結(jié)和薄氧化層造成擊穿。

—ESD引發(fā)的電場能與PCB線條耦合，并產(chǎn)生可熔化半導(dǎo)體結(jié)的大電流。

—由于可控硅整流器的觸發(fā)，放電會(huì)造成CMOS器件內(nèi)“閂鎖”。

經(jīng)失效分析表明，ESD引起的閂鎖是器件失效的原因之一。CMOS集成電路特別易受ESD和閂鎖的損害，因?yàn)檫@種器件有寄生pnpn結(jié)構(gòu)。

為了最大程度地減少ESD造成的失效，必須采取如下措施：

—應(yīng)把電子元器件貯存于可擴(kuò)散靜電的管子或箱子中；

—當(dāng)人工焊接時(shí)，工人應(yīng)使用接地端焊接設(shè)備；

—應(yīng)使用防靜電工作臺(tái)和地板；

—應(yīng)把組件放入可擴(kuò)散靜電的袋子中包裝。

MIL－STD－883和1686提供了元件標(biāo)準(zhǔn)，而IEC1000－4－2和EIA1361提供了設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，美國ESD協(xié)會(huì)制訂了器件搬運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)。

器件失效主要出自于兩大類問題：一是錯(cuò)過初始測試的器件批存在的問題，二是器件設(shè)計(jì)中發(fā)生的問題。有時(shí)會(huì)在器件批中發(fā)生超常數(shù)目的失效。這些器件通過了初始生產(chǎn)測試，但搬運(yùn)不當(dāng)、封裝方法不當(dāng)以及在組裝、測試和發(fā)運(yùn)中發(fā)生問題，使器件內(nèi)部出現(xiàn)潛在缺陷。根據(jù)這些情況，必須重新評(píng)估輸入測試與搬運(yùn)等過程，并與供貨商進(jìn)行密切合作，加嚴(yán)產(chǎn)品規(guī)范。