大功率半导体元器件可靠性分析

大功率半导体元器件可靠性分析

陈小雪

（天津环鑫科技发展有限公司300384）

摘要：产品的可靠性是衡量质量的重要指标，是能否保持优良性能的关键因素。若产品出现不可靠问题，技术性能就无法得到发挥，那么可靠性也就毫无保障。本文介绍了大功率半导体元器件可靠性的概念、评价、失效分析及可靠性筛选。

关键词：大功率；半导体；元器件；可靠性

1引言

虽然长期以来，人们习惯于采用产品的技术性能指标作为衡量电子元器件质量好坏的标志，这只仅仅只反映了产品质量好坏的一个方面，还不能全面反映产品的质量。如果产品性能不可靠，即使其技术性能再好也得不到预期要求，或者是不能充分发挥其价值。因此，从某种意义上而言，可靠性可以综合地反映产品的质量。产品和设备的故障与其可靠性是密切相关的，电子元器件的可靠性是产品和设备、以及系统可靠性的基础。因此正确的选型，适当的筛选、检验和试验以及合理的使用可提高电子设备和电子系统的可靠性。

2元器件的可靠性概述

元器件本身就是一种高精度的新型元件，其在生产与运行过程中无可避免会出现一些质量缺陷，相关单位和人员应利用非破坏性的产品筛选试验，通过借助适当的应力，找出和排除存在质量隐患的早期失效产品。可靠性筛选并不能提升产品本身的可靠性，但经过有效的筛选过程，能全面掌握产品设计和制造过程中存在的质量隐患，并将其反馈到设计与生产过程的质量管控当中，便于采取质量上的纠正措施，使产品使用的可靠性得到大幅提升。由于现代电子产品所采用的电子元器件密度比较高，这就导致元器件之间很容易通过辐射、传到等发生热耦合，所以，热应力已经成为电子元器件失效的一大主要诱因。对于一些特定的电路来说，其可靠性高低几乎完全由热环境决定，因此，为了实现预先设定的可靠性目标，就必须对元器件做好适当的降温处理措施，使之达到最低温度标准。相关专家通过研究发现：一旦温度高于规定范围时，每升高10摄氏度，元器件的使用年限将会相应下降1/2。通常来说，热设计主要可通过安装散热器或者应用散热技术、制冷技术等来实现，其中，最为常见的一种方法就是安装散热器，其主要目的是使半导体的温度得到有效控制。

3评价半导体元器件可靠性

在各种类型的电子设备中，半导体都是基础元器件是一个重要的组成部分，半导体式元器件的可靠性能对设备整体性能与可靠性产生了直接影响。在制造半导体行业中，研究半导体的可靠性有重要价值。半导体式器件的设计和生产直接关系到产品的可靠性。测试半导体式元器件可靠性的措施一般是采用可靠性评价，借助统计工具、用来仿真的模拟对半导体元件质量、使用寿命的周期、失效率等进行评定。代表半导体元件可靠性的指标中，使用寿命是关键。评估半导体在寿命方面的可靠性，其具体方法为：选择对集成产品进行模拟的高可靠性产品，比如典型性军用产品，通过对产品参数进行分析，研究能延长产品寿命的技术，将适合应用到军用产品中的集成电路作为参考，着重研究可以评估集成电路寿命可靠性的预测方法，比如人工神经网络、时间序列、回归分析、灰色理论等。同时，要充分利用用户反馈的产品有关数据、试验数据，在研究半导体器件可靠性的综合评价中，要讨论贝叶斯法，并采取蒙特卡洛仿真法研究能够对半导体元器件的可靠性进行预测的方法，尽量满足军用、航天等对可靠性要求较高的单位对半导体式集成电路在寿命可靠性方面的需求。

4常见的失效分布及失效分析

电子器件很容易由于多种原因而导致早期失效，器件失效均是由器件本身或后期产生的缺陷造成的，这些缺陷会导致塑封体的各个部位产生一系列的失效模式和失效机理。

4.1失效分布

半导体元器件可靠性的数量特征和其失效分布有很大的关系，不同的失效分布类型处理方式也不同。由于半导体元器件自身的特点，在没有恶劣外界条件影响情况下，早期失效最为明显，偶然失效期较长，失效率有缓慢下降的整体趋势。一般情况下，很难观察到明显的失效阶段，半导体元器件的失效分布类型包括：第一，早期失效期。这一阶段有很高的失效率，但会伴随时间增加而下降。失效的主要原因是设计和制造过程中的缺陷，比如原材料存在缺陷、制造工艺质量较差或不严格的质量检验等。因此，在半导体元器件交付使用之前，就要进行合理筛选，把早期就已失效的产品进行淘汰。第二，偶然出现的失效期。在这个阶段，半导体元器件失效的发生存在随机性，这时期内较接近于正常数，失效率较低，因此被称为偶然失效期，也是产品最好的工作阶段。第三，耗损失效期。到此阶段，半导体元器件由于磨损、老化、疲劳及损耗等整体性原因，造成失效率提高，并伴随时间的增加而逐渐提升。

4.2失效分析

失效分析：对电子元器件失效原因进行诊断的过程叫失效分析。通过分析，确定失效模式（观察到的失效模式）、失效机理（失效的物理化学过程），提出纠正预防措施，防止这种失效模式和失效机理的再次出现。失效分析应当按照一定的程序进行：收集失效数据→外观检查→电参数测试→确定失效模式→非破坏性分析→开外包封检查→失效定位→对失效部位进行物理分析和化学分析→综合性分析、确定失效原因→提出纠正预防措施。对大功率半导体失效器件要分析失效原因，进行纠错后提高可靠性。通过筛选只能在成品上进行，更为积极主动的方法是提早了解器件失效模式和机理，制订出验收及使用规范。半导体元器件在使用产品的选择、整机计划制定及制定生产可靠性方案方面都必须进行失效分析。完整的失效分析包括：现场原始记录、失效模式鉴别、失效特征描述、失效机理假设、证实、实施纠正措施。

5可靠性试验及可靠性筛选

5.1可靠性试验

可靠性试验是指：为了评价分析电子产品可靠性而进行的试验，也就是指生产研制的武器装备在正式使用前，要模拟进行各种工作、环境状态下，尤其是极端状态下的技术试验，以检验其环境适应性和可靠性。现目前，我国一些电子产品的可靠性指标与国际先进标准相比较还有差距，因此必须对国内外的相关标准进行充分研究，真正从产品方案的论证、设计、生产、试验和使用全过程中对可靠性水平作出准确的评价，提高我国电子产品的可靠性，使产品质量达到世界先进水平。可靠性试验分类方式有几种，不同的分类方式可以将可靠性试验分成十几种。第一，通常惯用分类法可分为五大类：环境试验、寿命试验、筛选试验、现场使用试验；第二，按照试验环境条件可分为两大类：模拟试验和现场试验；第三，按照试验项目可分为四大类：环境试验、寿命试验、加速试验和各种特殊试验；其中加速寿命试验有三种常见的试验类型，恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验；第四，按照试验目的来划分，则可分为筛选试验、鉴定试验和验收试验；第五，按照试验性质来划分，可分为破坏性试验和非破坏性试验两大类。大功率半导体元器件可靠性试验分类如下：按试验目的划分为筛选试验、鉴定验收试验和例行试验；按试验项目划分为环境试验和寿命试验。

5.2可靠性筛选

可靠性筛选是将不符合要求的元器件通过各种方式删除、淘汰而留下合格的优等元器件。筛选应在元器件成品或半成品刚生产出来就进行，理想的筛选条件和应力，应该使筛选后的器件失效率在浴盆曲线早期失效结束、偶然失效开始的那个拐点位置。半导体元器件可靠性筛选是保证出厂产品有较高可靠性的有效措施。

参考文献：

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