半導體器件失效機理與原因分析

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

研究人員曾對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，我們可用它們來預計器件何時失效。這些模型不能預計特定器件何時會失效，但能以充分的理由預計器件在特定條件下的失效率。

器件失效通常是因為它所經(jīng)受的應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理。一般來說，電應力、熱應力、化學應力、輻射應力和機械應力以及其它因素可導致器件失效。劃清失效機理與失效原因之間的界限是至關重要的。例如，器件有可能因機械應力導致的電氣機理造成失效。

半導體的常見失效機理大致可為分為幾個類別。深入了解這些機理，有助于我們準確測定器件失效，并對失效加以分析。

1、失效機理與原因分析

封裝失效

當管殼出現(xiàn)裂紋時就會發(fā)生封裝失效。機械應力、熱應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。當濕度較高或器件接觸到焊劑、清潔劑等物質(zhì)時，這些裂紋就成為潮氣入侵管殼的通路?；瘜W反應可使器件劣化，從而導致器件失效。

引線鍵合失效

因大電流通過造成的熱過應力、因鍵合不當造成的鍵合引線上的機械應力、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造成引線鍵合失效。

芯片粘結失效

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

體硅缺陷

有時候，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使器件失效。器件生產(chǎn)期間由擴散問題引起的工藝缺陷也會使器件失效。

氧化層缺陷

靜電放電和通過引線擴展的高壓瞬變可使薄氧化層即絕緣體擊穿，并導致器件失靈。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)生的電過應力造成的鋁導體損毀；

—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，技術人員就可進行深入的失效分析，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)品的設計缺陷會產(chǎn)生導致器件失效的條件。

2、熱過應力

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

如果高溫造成了失效，就應向產(chǎn)品設計師通報。設計師必須重新考慮產(chǎn)品封裝和工作規(guī)范，以保證風機、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機來冷卻，而小功率器件則可簡單地把熱量擴散到周圍空氣中。這樣，測試工程師必須在測試期保證散熱片和風機處于適當位置，或保證其它散熱裝置能足以冷卻正在進行測試的器件。

測試工程師還必須監(jiān)視功率半導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、電過應力

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

電路設計師通過降額使用元器件，就可把電過應力失效減至最少。此外，在電路設計中，加入諸如齊納二極管、變阻器和濾波器之類的保護器是防止過應力到達關鍵器件上的有效措施。

不管是在器件的制造、測試、搬運、組裝、生產(chǎn)階段還是在使用階段，靜電放電(ESD)都會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，使用塑料部件的機器也會產(chǎn)生靜電放電，很明顯，如果把這種靜電擴散到半導體中去，必然會破壞器件。

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。當系統(tǒng)在實際工作條件下運行時，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：

—放電或電過應力對器件造成損傷。損傷會導致大于正常電流的電流產(chǎn)生，從而導致熱過應力的產(chǎn)生。熱過應力會熔化金屬互連線，并對結造成損傷。

—強電場使結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)生可熔化半導體結的大電流。

—由于可控硅整流器的觸發(fā)，放電會造成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，因為這種器件有寄生pnpn結構。

為了最大程度地減少ESD造成的失效，必須采取如下措施：

—應把電子元器件貯存于可擴散靜電的管子或箱子中；

—當人工焊接時，工人應使用接地端焊接設備；

—應使用防靜電工作臺和地板；

—應把組件放入可擴散靜電的袋子中包裝。

MIL－STD－883和1686提供了元件標準，而IEC1000－4－2和EIA1361提供了設備標準，美國ESD協(xié)會制訂了器件搬運標準。

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