是什么導(dǎo)致半導(dǎo)體器件發(fā)生故障？第一部分

多年來，用戶要求更可靠的電子設(shè)備。與此同時，電子設(shè)備變得越來越復(fù)雜。這兩個因素的結(jié)合強(qiáng)調(diào)了確保長期無故障運(yùn)行的必要性。故障分析可以提供對故障機(jī)制和原因的寶貴見解，進(jìn)而改進(jìn)組件和產(chǎn)品的設(shè)計，從而有助于提高電子系統(tǒng)的可靠性。

工程師和科學(xué)家如此頻繁地研究故障，以至于他們現(xiàn)在有了模型或方程，我們可以用它們來預(yù)測故障何時會發(fā)生。這些模型不能預(yù)測特定設(shè)備何時會發(fā)生故障，但它們可以合理確定地預(yù)測特定條件下的故障率。

設(shè)備通常會發(fā)生故障，因為它遇到的條件超出了其最大額定值。設(shè)備發(fā)生故障的方式稱為故障機(jī)制。通常，電、熱、化學(xué)品、輻射、機(jī)械應(yīng)力和其他因素會導(dǎo)致故障。區(qū)分機(jī)制和原因很重要。例如，設(shè)備可能由于機(jī)械應(yīng)力引起的電氣機(jī)制而失效。

半導(dǎo)體的常見故障機(jī)制可以分為幾個主要類別。了解這些機(jī)制如何運(yùn)作將幫助我們查明提供給我們進(jìn)行分析的設(shè)備中的故障：

1.封裝失敗。當(dāng)用于封裝設(shè)備的封裝出現(xiàn)故障(通常是裂縫)時，就會發(fā)生這些故障。機(jī)械或熱應(yīng)力以及封裝材料和用于引線的金屬之間的熱膨脹系數(shù)差異會導(dǎo)致裂紋的形成。當(dāng)濕度高或設(shè)備暴露于助焊劑、清潔劑等時，這些開口會讓濕氣進(jìn)入封裝?；瘜W(xué)作用會使設(shè)備退化并導(dǎo)致其失效。

2.貼片失敗。裸片和基板之間的不當(dāng)接觸會降低兩者之間的導(dǎo)熱性。結(jié)果，芯片可能會過熱，從而導(dǎo)致應(yīng)力和破裂，從而導(dǎo)致器件故障。

3.引線鍵合失敗。高電流引起的熱過應(yīng)力、鍵合不當(dāng)引起的鍵合線中的機(jī)械應(yīng)力、鍵合線和管芯之間的界面處的裂紋、硅的電遷移以及過大的鍵合壓力都可能導(dǎo)致鍵合失敗。當(dāng)結(jié)合失敗時，設(shè)備也會失敗，因為它的一個導(dǎo)體不再存在。

4.體硅缺陷。有時，由晶體缺陷或硅塊體材料中存在雜質(zhì)和污染物引起的故障會導(dǎo)致器件出現(xiàn)故障。在器件制造過程中由擴(kuò)散問題引起的工藝缺陷也會導(dǎo)致器件失效。

5 、氧化層斷層。通過器件引線傳播的靜電放電和高壓瞬變會導(dǎo)致薄氧化層(絕緣體)損壞并導(dǎo)致器件故障。氧化物層中的裂紋或劃痕或氧化物中存在雜質(zhì)也會導(dǎo)致故障。

6 、鋁金屬故障。這些故障源于：

· 由于高電場，鋁在電流方向上的電遷移，

· 由于大電流引起的電氣過應(yīng)力而破壞鋁導(dǎo)體，

· 鋁的腐蝕，

· 焊接造成的金屬磨損，

· 接觸窗口處的金屬沉積不當(dāng)，以及

· 小丘和裂縫的形成。

通常，需要一個特定事件或一組條件才能引發(fā)故障。本文的其余部分描述了可能導(dǎo)致故障的最常見事件或條件。通過了解這些原因，我們可以進(jìn)行徹底的故障分析，并幫助設(shè)計人員和測試工程師生產(chǎn)更可靠的產(chǎn)品。但請記住，設(shè)備和 PCB 或最終產(chǎn)品中的設(shè)計錯誤都會產(chǎn)生導(dǎo)致設(shè)備故障的條件。但即使是那些設(shè)計問題，通常也會導(dǎo)致以下描述的一種或多種情況。

熱過應(yīng)力

熱過應(yīng)力——過熱——會導(dǎo)致半導(dǎo)體失效。過多的熱量會熔化材料、燒焦塑料、翹曲和破壞半導(dǎo)體芯片，并導(dǎo)致其他類型的損壞。一般來說，器件的工作結(jié)溫不應(yīng)高于 125–150°C。

軍事應(yīng)用旨在將結(jié)溫限制在 110°C。通過應(yīng)用 Arrhenius 方程，我們可以證明將器件的結(jié)溫從 160°C 降低到 135°C 可以將故障率降低一半。

如果高溫導(dǎo)致故障，請通知產(chǎn)品的設(shè)計人員。他們必須考慮產(chǎn)品包裝和操作規(guī)范，以確保風(fēng)扇、散熱器和其他冷卻設(shè)備將溫度保持在規(guī)范范圍內(nèi)。盡管高功率設(shè)備需要散熱器和風(fēng)扇，但低功率設(shè)備可以簡單地將熱量散發(fā)到周圍的空氣中。此外，測試工程師必須確保在測試期間散熱器和風(fēng)扇保持在原位，或者其他散熱設(shè)備可用于充分冷卻正在測試的設(shè)備。

測試工程師可能必須監(jiān)控功率半導(dǎo)體和功率組件的溫度，以確保它們在測試期間不會在不安全的溫度下操作設(shè)備，從而縮短它們的使用壽命。