半导体元器件可靠性及其制造分析

半导体元器件可靠性及其制造分析

宋超宋海涛

烟台北方星空自控科技有限公司山东烟台264000

摘要：半导体元器件较高可靠性以及制造的实现，是产品质量保证的重要指标，有效满足了人们生产生活的需要，促进了工业化建设的发展。并且半导体元器件可靠性要从构思设计到使用报废全过程贯穿始终，为了充分发挥半导体元器件的作用，本文阐述了半导体元器件可靠性的主要内容与半导体元器件常见的失效分布及失效，对半导体元器件可靠性试验及可靠性筛选与制造进行了探讨分析。

关键词：半导体元器件；可靠性；内容；失效；分布；试验；筛选；制造

半导体产品主要应用于工业方面，现在半导体制造技术是一些工业生产的关键技术，没有半导体元器件制造技术许多工业生产就无法进行。半导体元器件具有重量轻、体积较小、功耗低以及较高可靠性等特征。但是其由于构成设备和系统功能较复杂以及器件数量不断增多，而且使用环境比较严酷，导致半导体元器件退化和失效现象比较普遍。基于此，以下就半导体元器件可靠性及其制造进行分析。

一、半导体元器件可靠性的主要内容分析

半导体元器件的可靠性是在一定的时间和条件下实现预定功能的能力，它对规定条件、时间和规定功能有很大影响，通常可以用“概率”来衡量半导体元器件在规定时间内完成预定功能的能力大小。半导体元器件的可靠性工作从设计开始就应进行质量控制，在器件生产后筛选抽样检测，对可靠性进行试验，并对器件进行初步分析、情况调查、外观检查和特性检测，对失效模式分类，进行失效机理分析、电分析、显微分析和先进设备分析，找出失效模式和机理，制定纠正措施，对器件设计、生产和测试进行反馈并加以改进。

二、半导体元器件常见的失效分布及失效分析

1、半导体元器件失效分布的分析。半导体元器件可靠性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。基于半导体元器件自身特征，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。半导体元器件的失效分布类型主要包括：第一、早期失效期。该阶段失效率比较高，但会伴随时间增加而下降。失效原因主要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。因此半导体元器件交付使用前，要进行合理筛选，把早期失效的产品进行淘汰。（2）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。（3）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。

2、半导体元器件失效分布指标显示分析。具体表现为：（1）浴盆曲线。浴盆曲线主要是指半导体元器件失效率和时间的关系呈曲线分布，其是对半导体元器件失效规律较为准确的概括，对于不同种类、制造工艺、生产批次和工作要求，失效规律也有所不同，这些差距仅仅反映在函数个别参量的不同，为实际工作带来较大便利。（2）威布尔分布。在半导体元器件失效分布中，威布尔分布应用量较多，可以体现出失效函数、失效密度和失效率函数，在计算公式中，包括形状参数、位置参数和尺度参数，其中形状参数最为重要，表示一批次产品的分散度指标，其能具体反映出早期失效期、偶然失效期和耗损失效期。

3、半导体元器件失效分析。通常对大功率半导体失效器件要分析其失效原因，并对其进行纠错。通过筛选只能在成品上进行，因此需要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。半导体元器件失效模式模型是利用失效物理学原理分析和预测可靠性的一种方法，通过定量的方式表示各种失效模式统计规律及在总失效中所占比例。大功率元器件失效模式模型重点是在元器件“怎样”失效方面，通常是以外观观察、电测试及打开管壳后观察监测等手段确定。

三、半导体元器件可靠性试验及可靠性筛选分析

半导体元器件可靠性试验是对受验样品施加一定外力，并在外力作用下，观察性能是否稳定，结构状态是否完整或变形，进而辨别是否失效。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。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。

四、半导体元器件制造方法的分析

以下结合半导体元器件中的集成电路制造进行分析

1、半导体元器件中的集成电路用途分析。半导体元器件制造中有多种不同类型，每种类型都有其相应的特定功能，集成电路在个人电脑上的应用非常重要，例如每台电脑上的只读储存器（ROM）随机存储器（RAM）等这些产品中都有集成电路身影，集成电路的类型主要可分为模拟和数字，模拟集成电路中有运算放大器，运算放大器是一种阻抗放大器，可在电子控制中应用。集成电路是在一小片硅片上同时制作几十个或者几百个特定的芯片，芯片数量取决于每个芯片的尺寸，尺寸取决于一个芯片的集成水平，半导体元器件的制作仅发生于在接近硅片的几微米之间，硅片的强度是由硅片的厚度决定的，硅片上的金属线路层作为硅片上信号传导连接。现代的集成电路互联概念材料很像原仙童半导体公司的第一代商业化原始平面晶体管，但是现在的集成电路更为复杂。

2、半导体元器件中集成电路的制造方法。集成电路作为半导体元器件的重要内容，其通常由硅制成，集成电路将多个元件结合在一个硅片上降低了成本提高了性能。硅片上的电子器件形成方式被称为结构，其中集成电路就是结构中较有特点的一种。集成电路制造分为以下步骤：硅片制备、硅片制造、硅片测试、装配与封装以及终测。第一、硅片制造是第一阶段，将硅从沙中提取出来并进行相应的处理，生产出适当直径的硅锭，然后被切割成规定尺寸，第二、硅片制造，裸露的硅片进行进一步的处理具有一套完整步骤，这样处理后的硅片上就有了一套集成电路。第三、硅片测试，将硅片送到相应的测试区，进行相应测试。第四、装配，挑选合格硅片进行装配，硅片的背面进行一定的研磨减少后厚度，一片厚的塑料贴在每个硅片的背面，然后正面用金刚石尖锯刃分开。第五、终测，确保硅片质量，要对每一个被封装的硅片进行测试，看是否满足需求，一个完整的半导体元器件集成电路制作完成。

结束语

随着半导体元器件使用范围逐渐增多，使用条件更为复杂，器件可能要面对高低温、高低压、振动和冲击、辐射等恶劣环境条件，对元器件的可靠性要求越来越高。为了充分发挥半导体元器件的功能，必须加强对半导体元器件可靠性及其制造进行分析。

参考文献

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