大功率半導(dǎo)體元器件可靠性分析

摘 要：半導(dǎo)體元器件在電子學(xué)方面占有重要地位，原因是重量輕、體積較小、功耗低、具有較高可靠性。但是，由于構(gòu)成設(shè)備和系統(tǒng)功能較復(fù)雜，器件的數(shù)量增多，且使用環(huán)境比較嚴(yán)酷，導(dǎo)致器件工程退化和失效現(xiàn)象比較普遍。本文介紹了大功率半導(dǎo)體元器件可靠性的意義、內(nèi)容、失效分析及可靠性篩選。

關(guān)鍵詞：大功率；半導(dǎo)體；元器件；可靠性

產(chǎn)品的可靠性是衡量質(zhì)量的重要指標(biāo)，是能否保持優(yōu)良性能的關(guān)鍵因素。若產(chǎn)品出現(xiàn)不可靠問(wèn)題，技術(shù)性能就無(wú)法得到發(fā)揮，那么可靠性也就毫無(wú)保障。

一、提升半導(dǎo)體元器件可靠性的意義

伴隨國(guó)防任務(wù)和科研任務(wù)的發(fā)展進(jìn)步，電子設(shè)備及其系統(tǒng)也呈現(xiàn)愈加復(fù)雜的趨勢(shì)。半導(dǎo)體設(shè)備的可靠性和所用的元器件總量有很大關(guān)系，數(shù)量越多，相應(yīng)的可靠性問(wèn)題就越突出。比如一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，如果一個(gè)元器件出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)整體出現(xiàn)故障。因此，半導(dǎo)體設(shè)備的可靠程度是其使用元器件可靠程度的乘積，使用元器件越多，半導(dǎo)體設(shè)備對(duì)器件的可靠性要求就越高。

半導(dǎo)體元器件是否具有較高可靠性，是由其使用形式直接決定的。隨著半導(dǎo)體元器件使用范圍逐漸增多，使用條件更為復(fù)雜，器件可能要面對(duì)高低溫、高低壓、振動(dòng)和沖擊、輻射等惡劣環(huán)境條件，對(duì)元器件的可靠性要求越來(lái)越高。比如，一個(gè)導(dǎo)彈系統(tǒng)，如果電子設(shè)備可靠性沒(méi)有保證，在發(fā)射過(guò)程中出現(xiàn)失靈，會(huì)導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失和無(wú)法估量的政治后果。

二、半導(dǎo)體元器件可靠性的內(nèi)容

器件的可靠性要從構(gòu)思設(shè)計(jì)到使用報(bào)廢全過(guò)程貫穿始終，影響因素包括技術(shù)、組織管理、設(shè)計(jì)構(gòu)思、生產(chǎn)及使用過(guò)程，因此，從器件的設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，就要為可靠性奠定基礎(chǔ)。半導(dǎo)體元器件的可靠性是在一定的時(shí)間和條件下實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的能力，它對(duì)規(guī)定條件、時(shí)間和規(guī)定功能有很大影響，通常我們可以用“概率”來(lái)衡量半導(dǎo)體元器件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成預(yù)定功能的能力大小。

半導(dǎo)體元器件的可靠性工作從設(shè)計(jì)開(kāi)始就應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量控制，在器件生產(chǎn)后篩選抽樣檢測(cè)，對(duì)可靠性進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)器件進(jìn)行初步分析、情況調(diào)查、外觀檢查和特性檢測(cè)，對(duì)失效模式分類(lèi)，進(jìn)行失效機(jī)理分析、電分析、顯微分析和先進(jìn)設(shè)備分析，找出失效模式和機(jī)理，制定糾正措施，對(duì)器件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測(cè)試進(jìn)行反饋并加以改進(jìn)。

三、常見(jiàn)的失效分布及失效分析

（一）失效分布

半導(dǎo)體元器件可靠性的數(shù)量特征和其失效分布有很大的關(guān)系，不同的失效分布類(lèi)型處理方式也不同。由于半導(dǎo)體元器件自身的特點(diǎn)，在沒(méi)有惡劣外界條件影響情況下，早期失效最為明顯，偶然失效期較長(zhǎng)，失效率有緩慢下降的整體趨勢(shì)。一般情況下，很難觀察到明顯的失效階段，半導(dǎo)體元器件的失效分布類(lèi)型包括：

（1）早期失效期。這一階段有很高的失效率，但會(huì)伴隨時(shí)間增加而下降。失效的主要原因是設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的缺陷，比如原材料存在缺陷、制造工藝質(zhì)量較差或不嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)等。因此，在半導(dǎo)體元器件交付使用之前，就要進(jìn)行合理篩選，把早期就已失效的產(chǎn)品進(jìn)行淘汰。

（2）偶然出現(xiàn)的失效期。在這個(gè)階段，半導(dǎo)體元器件失效的發(fā)生存在隨機(jī)性，這時(shí)期內(nèi)較接近于正常數(shù)，失效率較低，因此被稱(chēng)為偶然失效期，也是產(chǎn)品最好的工作階段。

（3）耗損失效期。到此階段，半導(dǎo)體元器件由于磨損、老化、疲勞及損耗等整體性原因，造成失效率提高，并伴隨時(shí)間的增加而逐漸提升。

（二）失效分布指標(biāo)顯示

（1）浴盆曲線。半導(dǎo)體元器件失效率和時(shí)間的關(guān)系呈曲線分布，稱(chēng)為浴盆曲線。浴盆曲線是對(duì)半導(dǎo)體元器件失效規(guī)律較為準(zhǔn)確的概括，對(duì)于不同種類(lèi)、制造工藝、生產(chǎn)批次和工作要求，失效規(guī)律也有所不同，這些差距僅僅反映在函數(shù)個(gè)別參量的不同，為實(shí)際工作帶來(lái)較大的便利。

（2）威布爾分布。在半導(dǎo)體元器件失效分布中，威布爾分布應(yīng)用量較多，可以體現(xiàn)出失效函數(shù)、失效密度和失效率函數(shù)，在計(jì)算公式中，包括形狀參數(shù)、位置參數(shù)和尺度參數(shù)，其中形狀參數(shù)最為重要，表示一批次產(chǎn)品的分散度指標(biāo)，它能具體反映出早期失效期、偶然失效期和耗損失效期，位置參數(shù)可以反映出失效分布的出發(fā)點(diǎn)。

（三）失效分析

對(duì)大功率半導(dǎo)體失效器件要分析失效原因，進(jìn)行糾錯(cuò)后提高可靠性。通過(guò)篩選只能在成品上進(jìn)行，更為積極主動(dòng)的方法是提早了解器件失效模式和機(jī)理，制訂出驗(yàn)收及使用規(guī)范。半導(dǎo)體元器件在使用產(chǎn)品的選擇、整機(jī)計(jì)劃制定及制定生產(chǎn)可靠性方案方面都必須進(jìn)行失效分析。完整的失效分析包括：現(xiàn)場(chǎng)原始記錄、失效模式鑒別、失效特征描述、失效機(jī)理假設(shè)、證實(shí)、實(shí)施糾正措施。

半導(dǎo)體元器件失效模式模型是利用失效物理學(xué)原理分析和預(yù)測(cè)可靠性的一種方法，通過(guò)定量的方式表示各種失效模式統(tǒng)計(jì)規(guī)律及在總失效中所占比例。大功率元器件失效模式模型重點(diǎn)是在元器件“怎樣”失效方面，通常是以外觀觀察、電測(cè)試及打開(kāi)管殼后觀察監(jiān)測(cè)等手段確定。

四、可靠性試驗(yàn)及可靠性篩選

可靠性試驗(yàn)是對(duì)受驗(yàn)樣品施加一定外力，并在外力作用下，觀察性能是否穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否完整或變形，進(jìn)而辨別是否失效。大功率半導(dǎo)體元器件可靠性試驗(yàn)分類(lèi)如下：按試驗(yàn)?zāi)康膭澐譃楹Y選試驗(yàn)、鑒定驗(yàn)收試驗(yàn)和例行試驗(yàn)；按試驗(yàn)項(xiàng)目劃分為環(huán)境試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)。

可靠性篩選是將不符合要求的元器件通過(guò)各種方式刪除、淘汰而留下合格的優(yōu)等元器件。篩選應(yīng)在元器件成品或半成品剛生產(chǎn)出來(lái)就進(jìn)行，理想的篩選條件和應(yīng)力，應(yīng)該使篩選后的器件失效率在浴盆曲線早期失效結(jié)束、偶然失效開(kāi)始的那個(gè)拐點(diǎn)位置。半導(dǎo)體元器件可靠性篩選是保證出廠產(chǎn)品有較高可靠性的有效措施。

五、結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體元器件較高可靠性的實(shí)現(xiàn)，是產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要指標(biāo)，有效滿足了人們生產(chǎn)生活的需要，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文知，井紅旗，祁瓊，等.大功率半導(dǎo)體激光器可靠性研究和失效分析[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2017，（2）：165169.

[2]馬俊.半導(dǎo)體集成電路可靠性測(cè)試及數(shù)據(jù)處理方法分析研究[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2016，（10）：2829.5253.

作者簡(jiǎn)介：楊俊艷（1977），女，漢族，陜西西安人，2001年西安交通大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)，助理工程師，現(xiàn)就職于西安派瑞功率半導(dǎo)體變流技術(shù)股份有限公司

，研究方向：半導(dǎo)體技術(shù)。