半導(dǎo)體器件壽命影響因素分析及處理方法

引 言

隨著半導(dǎo)體器件的廣泛使用，其壽命指標受到業(yè)界普遍關(guān)注。半導(dǎo)體器件壽命的延續(xù)是一種性能退化過程，最終導(dǎo)致失效[1]。造成這種退化的原因很多，如人為使用不當、浪涌和靜電擊穿等，但通過一定的預(yù)防措施和增加必要的附加電路可以有效延長半導(dǎo)體器件的壽命。

1 半導(dǎo)體器件的退化和失效

大量試驗表明，半導(dǎo)體器件的失效隨時間的統(tǒng)計分布規(guī)律呈浴盆狀，如圖 1所示。失效期包括早期的快速退化失效、中期的偶然失效與后期的快速損耗失效。早期快速失效一般是由半導(dǎo)體材料本身原因造成 ；中期偶然失效期的時域較寬， 在此期間導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效的原因具有一定的偶然性；后期失效概率較高，主要由各種損耗積累與綜合爆發(fā)引起[2]。由此可知，只要通過初期的嚴格篩選，同時加強質(zhì)量管理和改進生產(chǎn)工藝，防止偶然失效，半導(dǎo)體器件就能獲得較長的壽命 [3]。

2 半導(dǎo)體器件壽命影響因素及預(yù)防措施

PN 結(jié)是半導(dǎo)體器件的核心，對電壓沖擊的承受能力很差， 一旦被擊穿，便無法產(chǎn)生非平衡載流子。在使用過程中，半導(dǎo)體器件的損壞多半是由浪涌或靜電擊穿造成的。

浪涌是一種突發(fā)性的瞬間電信號脈沖，具有很強的隨機性，一般表現(xiàn)為尖脈沖，脈寬很窄，但峰值較高，容易使半導(dǎo)體器件瞬時過壓造成 PN 結(jié)擊穿，即使不致于一次性使半導(dǎo)體器件產(chǎn)生完全失效，但在多次浪涌的沖擊下也會加速它的性能退化和最終失效[4]。在電路的使用過程中，出現(xiàn)比較多的浪涌是開啟或關(guān)斷電源時抑或器件接觸不良時產(chǎn)生的電壓 / 電流沖擊，以及由于電網(wǎng)波動或其它大功率電器啟動而產(chǎn)生的電壓 / 電流沖擊。另外，靜電也是造成 PN 結(jié)損壞或擊穿的重要原因。表 1 給出了產(chǎn)生浪涌和靜電的幾種常見原因及其特征和預(yù)防措施。

軟啟動電路在電源電路中已得到了廣泛應(yīng)用，該過程可 以由計算機控制實現(xiàn)，且可靠性高，穩(wěn)定性好，但是價格比較 昂貴。實際上，對于一些簡單的、普通的半導(dǎo)體器件電源電路， 只需對電源電路稍加改進，便可實現(xiàn)軟啟動，圖 3 給出了一個 利用 RC 充電原理實現(xiàn)軟啟動的電源電路，電路中的 R1、C7、 C8、Q1、Q2 為電壓緩慢上升電路，電路兩邊增加了兩個π型 濾波器電路，防止電流突變。該軟啟動電路可以使得半導(dǎo)體 器件兩端的電壓逐漸加上，不會產(chǎn)生浪涌信號對半導(dǎo)體器件 帶來破壞。

4 數(shù)字電路中浪涌消除電路 

在 很 多 情 況下，半導(dǎo)體器 件的管腳不是通 過焊接而是直接 插入管座中，然 而管腳和插座接 觸不良或者機械 振 動 都 會 造 成 時通時斷而產(chǎn)生 連續(xù)多個電壓浪 涌。另外，某些 功能控制開關(guān)和功率調(diào)節(jié)開關(guān)接觸不良或動作瞬間也會產(chǎn)生連續(xù)多個電壓浪 涌。在數(shù)字電路中，這些電壓浪涌幅值較低（波形表示為短脈 寬的高 / 低電平 "1" 和 "0"），這些浪涌邊沿很陡，呈高低電平 交替狀態(tài)，若未經(jīng)處理直接將它加在半導(dǎo)體器件兩端會影響 其壽命，同時也會給系統(tǒng)帶來干擾。

圖 4 給出了一款應(yīng)用于數(shù)字電路中具有消除連續(xù)多個電 壓浪涌功能的電路。電路中的 CLNR 是觸發(fā)器清零信號，K1_ in 和 K2_in 表示兩組帶有浪涌的輸入信號，K1_out 和 K2_ out 表示所對應(yīng)的經(jīng)過消浪涌后的輸出信號。電路采用了分頻 采樣、移位寄存和計算判斷方法，采用 4 個 D 觸發(fā)器連續(xù)對 輸入信號 K1_in 進行移位采樣，并隨時鐘信號的觸發(fā)寄存于 數(shù)組 K1[4..1] 中。若數(shù)組中相鄰兩個數(shù)據(jù)都為高電平就默認為 高電平 "1"，其它情況則表示低電平 "0"。用邏輯最簡公式表示為 ：K1_out=K11K12+K13K14+（!K11）K12K13（!K14）。由于 半導(dǎo)體管腳和插座接觸不良或機械振動等現(xiàn)象引起的連續(xù)電 壓浪涌掃描周期一般不超過 10 ms，因此電路中采用了頻率為 200 Hz、周期為 5 ms 的 clk_200 時鐘信號進行數(shù)據(jù)移位寄存。 圖 5 給出了該電路在 Quartus II 環(huán)境下的仿真波形。

從仿真結(jié)果可以看出，當輸入信號 K1_in 在低電平輸入 過程中連續(xù)出現(xiàn)多個脈寬小于或等于 10 ms 的高電平浪涌時， 輸出信號 K1_out 仍為低電平 ；當輸入信號 K2_in 在高電平輸 入過程中連續(xù)出現(xiàn)多個脈度小于或等于10 ms的低電平浪涌時， 輸出信號 K2_out 仍為高電平。由此可知，該電路能很好地消 除連續(xù)出現(xiàn)的浪涌，作為半導(dǎo)體器件浪涌消除電路可有效延 長半導(dǎo)體器件壽命指標，并具有良好的抗浪涌信號干擾的能 力。另外，從信號延時來看，該電路的輸入信號僅有 5 ms 的 時序延時，與同類的浪涌消除或抖動信號消除電路相比較，該 延時較小。 

5 結(jié) 語

隨著半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝日趨成熟，其應(yīng)用范圍已覆蓋 了國防、工業(yè)、科研和民用等領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用 [7，8]， 因此，有必要針對它的壽命特性和延壽方法開展進一步的研 究。文中分析了影響半導(dǎo)體器件壽命的主要原因，討論了浪涌 和靜電的特點及其預(yù)防措施，分別給出了應(yīng)用于模擬電路和數(shù) 字電路中的電源軟啟動電路和連續(xù)浪涌消除電路，電路結(jié)構(gòu) 簡單，性能良好，值得推廣。