典型半导体案例失效分析

半导体器件失效分析的研究Research on Semiconductor Device Failure Analysis中文摘要半导体失效分析在提高集成电路的可靠性方面有着至关重要的作用。

随着集成度的提高，工艺尺寸的缩小，失效分析所面临的困难也逐步增大。

因此，失效分析必须配备相应的先进、准确的设备和技术，配以具有专业半导体知识的分析人员，精确定位失效位置。

在本文当中，着重介绍多种方法运用Photoemission显微镜配合IR-OBIRCH精确定位失效位置，并辅以多项案例。

Photoemission是半导体元器件在不同状态下（二极管反向击穿、短路产生的电流、MOS管的饱和发光，等等），所产生的不同波长的光被捕获，从而在图像上产生相应的发光点。

Photoemission在失效分析中有着不可或缺的作用，通过对好坏品所产生的发光点的对比，可以为后面的电路分析打下坚实的基础，而且在某些情况下，异常的发光点就是最后我们想要找到的defect的位置。

IR-OBIRCH(Infrared Optical beam Induced Resistance Change)主要是由两部分组成：激光加热器和电阻改变侦测器。

电阻的改变是通过激光加热电流流经的路径时电流或者电压的变化来表现的，因此，在使用IR-OBIRCH时，前提是必须保证所加电压两端产生的电流路径要流过defect的位置，这样，在激光加热到defect位置时，由于电阻的改变才能产生电流的变化，从而在图像上显现出相应位置的热点。

虽然Photoemission和IR-OBIRCH可以很好的帮助我们找到defect的位置，但良好的电路分析以及微探针(microprobe)的使用在寻找失效路径方面是十分重要的，只有通过Photoemission的结果分析，加上电路分析以及微探针(mi croprobe)测量内部信号的波形以及I-V曲线，寻找出失效路径后，IR-OBIRCH 才能更好的派上用场。

半导体器件失效原因分析发信站: 紫金飞鸿 (Mon Oct 2 12:02:48 2000)多年来，用户要求有更可靠的电子设备，而与此同时，电子设备发展得越来越复杂。

这两个因素的结合，促使人们更加关注电子设备在长期运行中确保无故障的能力。

通过失效分析可以深入理解失效机理和原因，引导元器件和产品设计的改进，有助于提高电子设备（系统）的可靠性。

半导体器件的失效通常是因为产生的应力超过了它们的最大额定值。

电气应力、热应力、化学应力、辐射应力、机械应力及其他因素都会造成器件失效。

半导体器件的失效机理主要划分成以下6种：一、包封失效。

这类失效发生在用于封装器件的包封出现缺陷，通常是开裂。

机械应力或热应力以及包封材料与金属引线之间热膨胀系数的不同都会引起包封开裂，当环境湿度很高或器件暴露在溶剂、清洗剂等中时，这些裂缝会使湿气浸入，产生的化学反应会使器件性能恶化，使它们失效。

二、导线连接失效。

由于通过大电流造成过量的热应力、或由于连接不当使连接线中产生机械应力、连接线与裸芯之间界面的开裂、硅中的电致迁移、以及过量的连接压力，都会引起导线连接失效。

三、裸芯粘接故障。

裸芯与衬底之间粘接不当时，就会恶化两者之间的导热性，结果会使裸芯过热，产生热应力和开裂，使器件失效。

四、本征硅的缺陷。

由晶体瑕疵或本征硅材料中的杂质和污染物造成的缺陷使器件失效，在器件制造期间扩散工艺产生的工艺瑕疵也会造成器件失效。

五、氧化层缺陷。

静电放电和通过器件引线的高压瞬时传送，可能会使氧化层（即绝缘体）断开，造成器件功能失常。

氧化层中的开裂、划伤、或杂质也会导致器件失效。

六、铝金属缺陷。

这类缺陷往往由下列几种情况造成：由于大电场导致在电流流动方向上发生铝的电迁移；由于大电流造成过量电气应力，导致铝导体断裂；铝被腐蚀；焊接引起铝金属耗损；接触孔被不适当地淀积上金属；有小丘和裂缝。

半导体器件应该工作在由生产厂确定的电压、电流和功耗限定范围内，当器件工作在这个“安全工作范围（SOA）”之外时，电气应力过度（EOS）就会引起内部电压中断，导致器件内部损伤。

浅谈 IGBT失效分析摘要：绝缘栅双极晶体管(IGBT)是由功率MOSFET和双极晶体管(BJT)复合而成的一种新型的电力半导体器件，它集两者的优点于一体，具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、速度快及工作频率高等特点，成为目前最有应用前景的电力半导体器件之一。

在轨道交通、航空航天、新能源、智能电网、智能家电这些朝阳产业中，IGBT作为自动控制和功率变换的关键核心部件，是必不可少的功率“核芯”。

采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率，提升用电质量，实现节能效果，在绿色经济中发挥着无可替代的作用。

关键词：IGBT；电力半导体；频率；功率本文研究大功率交流传动电力机车技术平台及大功率交流传动内燃机车技术平台，参考了国内外文献，通过对试验和应用数据的搜集、统计、整理，发现了一些典型的IGBT模块失效案例，并对其进行了失效特征分析，具体如下：1 过压失效1.1集-射极过压失效失效位置发生在有源区的边缘处，如图1(a)所示。

可见，芯片表面靠近内侧保护环处有小面积轻微烧损。

发生失效的条件：一是芯片击穿电压不满足要求，或者芯片的击穿电压发生退化;二是IGBT工作时发生异常，导致芯片承受的电压超过其可以承受的额定击穿电压。

1.2栅-射极过压失效失效位置发生在栅极与发射极隔离区，如图1(b)所示。

失效特征表现为芯片表面栅极与发射极隔离区上有熔点。

发生失效的条件：一是芯片栅极氧化层质量差，耐压不满足要求，或者芯片的栅极氧化层耐压发生退化;二是工况导致栅极过电压或电路产生栅极震荡。

2 过流失效2.1短路失效失效位置发生在IGBT有源区(不含栅极)，如图2所示。

失效表现为模块中多个IGBT 芯片同时严重烧毁。

发生失效的条件：一是芯片短路安全工作区不能满足系统设计要求，或者短路安全工作区发生退化;二是工况发生异常，IGBT回路出现短路且IGBT未能及时被保护;三是半桥臂出现短路(IGBT或续流二极管)，导致另一半桥臂IGBT被短路，发生短路失效;四是工作环境温度升高，导致芯片结温升高，短路安全工作区范围变小;五是控制信号问题，导致IGBT误开关，引起(桥臂)短路失效。

死灯，不亮属于灾难性失效.下面列举常见的失效案例及预防措施供大家参考
1）LED散热不佳，固晶胶老化，层脱，芯片脱落
预防措施：做好LED散热工作，保证LED的散热通道顺畅（焊接时防止LED 悬浮，倾斜）
2）过电流过电压冲击，驱动，芯片烧毁（开路或短路）
预防措施：做好EOS防护，防止过电流过电压冲击或者长时间驱动LED。

3）过电流冲击，金线烧断4）使用过程中，未做好ESD防静电防护，导致LED PN结被击穿。

预防措施：防止过电流过电压冲击LED。

4）使用过程未做好防静电防护，导致LED PN结被击穿。

预防措施：做好ESD防护工作
5）焊接温度过高，胶体膨胀剧烈扯断金线或者外力冲击碰撞封装胶体，扯断金
线。

预防措施：按照推荐的焊接条件焊接使用，装配过程中注意保护封装结构部分不受损坏。

6）LED受潮未除湿，回流焊过程中胶裂，金线断。

预防措施：按照条件除湿，可利用防潮箱或者烘箱进行干燥除湿。

应按照推荐的回流参
数过回流焊。

7)回流焊温度曲线设置不合理，造成回流过程胶体剧烈膨胀导致金线断。

预防措施：按照推荐的回流参数过回流焊。

8）齐纳被击穿，装配时LED正负极被短接或者PCB板短路，LED被击穿。

预防措施：做好ESD防静电保护工作，避免正负极短路，PCB要做仔细排查。

功率半导体IGBT失效分析与可靠性摘要：目前，IGBT是绿色经济领域的核心技术之一，应用于航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等领域。

作为自动控制和功率转换的关键核心部件，IGBT是不可或缺的功率核心。

利用IGBT进行电能转换，可以提高电能效率和质量，达到30%~40%的节能效果。

即使用IGBT技术改造传统设备，平均节电率仍可提高20%。

此外，IGBT也是实现能源转换的关键部件，光伏发电、风力发电、太阳能发电等新能源都需要使用IGBT产品向电网输送电能。

关键词：主动式PFC升压电路；IGBT；SOA；闩锁效应；ESD；结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT失效原因及失效机理分析，分析结果表明：经过对IGBT失效分析及IGBT工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT极限参数检测对比发现IGBT失效由多种原因导致，IGBT在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析论证后从IGBT本身及电路设计方面全部提升IGBT工作可靠性。

一、分析及生效机理1.失效器件无损检测分析。

（1）X-ray透射分析。

失效IGBT表面无损伤，万用表测试1、2、3脚互相短路，X光透射内部IGBT芯片金线焊接等无异常，芯片表面有烧毁点，分析内部过电损伤导致失效。

（2）开封解析。

对主板失效IGBT进行开封解析，内部芯片表面有击穿烧痕迹，IGBT失效均为有源区（active area）受到高能量损坏，分析主要为过电击穿失效。

IGBT等效电路如图1所示。

图1 IGBT结构描述（3）失效IGBT应用电路。

如图2，红框部分为PFC电路整流滤波部分，C401电容具有滤波和抑制EMI作用，PFC主电路部分由PFC电感L3、IGBT及快恢复二极管D901组成。

当IGBT闭合时电感L3充能，IGBT断开时电感L3释放电能。

IGBT应用电路结构图如图2所示。

图2 IGBT应用电路二、失效原因及失效机理分析经过对失效IGBT器件ESD能力检测、极限参数测试分析（极限耐压、SOA安全工作区、开关损耗、）、应用环境、驱动电路设计、整机工作波形分析、热设计分析发现其存在众多不足，总结归纳如下。

半导体器件失效分析半导体器件失效分析就是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式(失效模式)，分析造成器件失效的物理和化学过程(失效机理)，寻找器件失效原因，制订纠正和改进措施。

加强半导体器件的失效分析，提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的办法，对提高整机可靠性有着十分重要的作用。

半导体器件与使用有关的失效十分突出，占全部失效器件的绝大部分。

进口器件与国产器件相比，器件固有缺陷引起器件失效的比例明显较低，说明进口器件工艺控制得较好，固有可靠性水平较高。

1. 与使用有关的失效与使用有关的失效原因主要有：过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当、使用线路设计不当、机械过应力、操作失误等。

①过电应力损伤。

过电应力引起的烧毁失效占使用中失效器件的绝大部分，它发生在器件测试、筛选、安装、调试、运行等各个阶段，其具体原因多种多样，常见的有多余物引起的桥接短路、地线及电源系统产生的电浪涌、烙铁漏电、仪器或测试台接地不当产生的感应电浪涌等。

按电应力的类型区分，有金属桥接短路后形成的持续大电流型电应力，还有线圈反冲电动势产生的瞬间大电流型电应力以及漏电、感应等引起的高压小电流电应力；按器件的损伤机理区分，有外来过电应力直接造成的PN结、金属化烧毁失效，还有外来过电应力损伤PN结触发CMOS电路闩锁后引起电源电流增大而造成的烧毁失效。

②静电损伤。

严格来说，器件静电损伤也属于过电应力损伤，但是由于静电型过电应力的特殊性以及静电敏感器件的广泛使用，该问题日渐突出。

静电型过电应力的特点是：电压较高(几百伏至几万伏)，能量较小，瞬间电流较大，但持续时间极短。

与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程中，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。

从静电对器件损伤后的失效模式来看，不仅有PN结劣化击穿、表面击穿等高压小电流型的失效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失效模式。

图１　开封芯片表面表１　三极管性能测试数据图２　焊接不良示意图鱼尾也出现过断线，如图3所示，CT扫描发现管脚鱼尾不良，出现断点。

断点处与焊盘有轻微接触，导致故障不稳定，在使用中长期通电出现开路。

图３　鱼尾断线ＣＴ扫描图如图4所示，底板不平，底板四周出现高度差，导图４　鱼尾断线示意图鱼尾断线的不良原因为底板有硅碎，或在拆卸重新安装后未做水平高度差检测，导致底板不平，劈刀切线时，管脚呈悬空状态，管脚上下摆动，拉扯铜线，最终导致鱼尾断线。

１．１．４　虚焊故障模拟验证制作一颗硅碎，如图5所示，大概整颗芯片的1/3大小放在底板对应的基岛位置下面，将已上芯的产品拉到底板下，开始焊接，共计实验5颗。

当焊接到此颗芯图５　焊接故障模拟图综合以上分析，确认此次不良的根本原因为生产期间偶然有硅碎随着机器的振动移动到底板下，造成基岛不平，铜线焊接时焊接能量损失，导致产品焊球焊接不图６　Ｘ光透视图图８　塌丝故障分析鱼骨图３．２．２　出料盒改善焊线机料盒出料口处加装挡块，具体见图9，防止机器振动使框架从料盒振出压塌已焊线产品造成塌线。

图９　增加挡板３．２．３　包封台优化改善针对包封工序人为调整料片方法不规范，造成产品塌线的现象，将原来的凸台设计改为凹台设计，见图10，在四周增加挡边定位，防止料片移动，无需手动对料片位置进行调整，避免人为调整料片造成塌线。

图１０　料片定位改为凹台３．２．４　检验方法优化针对产品检验时易受干扰导致塌线的情况更改检验方法，见图11，由之前取下料片在放大镜下检查改为在设备显示器上检查焊球和鱼尾，用设备显微镜检查线弧形状，减少人为干涉产品，预防塌丝。

QC检验频率：图１１　显微镜检查３．２．５　人为调整专项打包针对产品包封前受人为干扰产品存在塌线风险的可能，将焊线工序、包封工位所有人为干预过的料片统一装入蓝色料盒，包封后再对其进行X-ray全检确认，将异常品剔除。

4 失效整改总结及意义三极管失效是厂家本身产品生产过程及筛选不良导致实际应用中出现故障。

半导体失效分析报告案例范文英文回答：Semiconductor failure analysis is a crucial process in identifying and resolving issues with semiconductor devices. It involves the investigation and examination of failed semiconductors to determine the root cause of the failure.In this report, I will provide a case study on a semiconductor failure analysis.The first step in the analysis is to gather information about the failed device and its operating conditions. This includes details such as the device type, application, and any relevant specifications. For example, let's say we are analyzing a failed power MOSFET that was used in a motor control application. The device was rated for a maximum voltage of 600V and a maximum current of 20A.Next, I would perform a visual inspection of the failed device. This involves examining the external features ofthe device for any signs of damage or anomalies. In our case, I might observe that the device has burn marks on the surface, indicating a potential thermal issue.After the visual inspection, I would proceed with electrical testing. This involves measuring various electrical parameters of the device, such as voltage, current, resistance, and capacitance. By comparing the measured values to the device's specifications, I can identify any deviations that may have contributed to the failure. For example, I might find that the resistance between the drain and source terminals of the MOSFET is higher than the specified value, suggesting a possible short circuit.In addition to electrical testing, I would also conduct a thermal analysis. This involves measuring the temperature of the device during operation and comparing it to the device's thermal specifications. In our case, I might use a thermal camera to observe the temperature distribution on the surface of the MOSFET. If I find that certain areas of the device are significantly hotter than others, it couldindicate a localized overheating issue.To further investigate the root cause of the failure, I would perform a failure mode and effects analysis (FMEA). This involves analyzing the potential failure modes of the device and their effects on its performance. By considering factors such as material defects, manufacturing processes, and environmental conditions, I can narrow down the possible causes of the failure. For example, I might determine that the burn marks on the MOSFET were caused by excessive current flowing through the device, leading to thermal runaway.Based on the findings from the analysis, I would then propose recommendations for resolving the issue and preventing future failures. This could include suggesting design improvements, changes in manufacturing processes, or modifications to the device's operating conditions. For example, I might recommend using a MOSFET with a higher current rating or implementing better thermal management techniques in the motor control system.In conclusion, semiconductor failure analysis is a systematic process that involves gathering information, performing visual and electrical testing, conducting thermal analysis, and using failure mode and effects analysis to identify the root cause of a failure. By understanding the failure mechanism, appropriate recommendations can be made to prevent future failures and improve the reliability of semiconductor devices.中文回答：半导体失效分析是识别和解决半导体器件问题的关键过程。

半导体器件芯片焊接失效模式分析与解决探讨半导体器件芯片焊接失效模式分析与解决探讨芯片到封装体的焊接(粘贴)方法很多，可概括为金属合金焊接法(或称为低熔点焊接法)和树脂粘贴两大类。

它们连接芯片的机理大不相同，必须根据器件的种类和要求进行合理选择。

要获得理想的连接质量，还需要有针对性地分析各种焊接(粘贴)方法机理和特点，分析影响其可靠性的诸多因素，并在工艺中不断地加以改进。

本文对两大类半导体器件焊接(粘贴)方法的机理进行了简单阐述，对几种常用方法的特点和适用性进行了比较，并讨论了在半导体器件中应用最为广泛的金-硅合金焊接失效模式及其解决办法。

1、芯片焊接(粘贴)方法及机理芯片的焊接是指半导体芯片与载体(封装壳体或基片)形成牢固的、传导性或绝缘性连接的方法。

焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好的散热通道。

其方法可分为树脂粘接法和金属合金焊接法。

树脂粘贴法是采用树脂粘合剂在芯片和封装体之间形成一层绝缘层或是在其中掺杂金属(如金或银)形成电和热的良导体。

粘合剂大多采用环氧树脂。

环氧树脂是稳定的线性聚合物，在加入固化剂后，环氧基打开形成羟基并交链，从而由线性聚合物交链成网状结构而固化成热固性塑料。

其过程由液体或粘稠液→凝胶化→固体。

固化的条件主要由固化剂种类的选择来决定。

而其中掺杂的金属含量决定了其导电、导热性能的好坏。

掺银环氧粘贴法是当前最流行的芯片粘贴方法之一，它所需的固化温度低，这可以避免热应力，但有银迁移的缺点。

近年来应用于中小功率晶体管的金导电胶优于银导电胶。

非导电性填料包括氧化铝、氧化铍和氧化镁，可以用来改善热导率。

树脂粘贴法因其操作过程中载体不须加热，设备简单，易于实现工艺自动化操作且经济实惠而得到广泛应用，尤其在集成电路和小功率器件中应用更为广泛。

树脂粘贴的器件热阻和电阻都很高。

树脂在高温下容易分解，有可能发生填料的析出，在粘贴面上只留下一层树脂使该处电阻增大。

因此它不适于要求在高温下工作或需低粘贴电阻的器件。