半导体器件可靠性与失效分析微电子

半导体器件可靠性与失效分析微电子
1.功能失效：指器件不能按照设计要求正常工作，如逻辑门无法实现
正确的逻辑功能。

2.电气失效：指器件发生电气故障，如短路、开路、漏电等。

3.热失效：由于器件内部寄生电阻、封装散热不良等原因，导致器件
温度升高，超过其承受范围，从而导致失效。

4.机械失效：指器件由于外力作用或压力过大等原因，发生物理损坏，如断裂、划伤等。

5.等离子体效应：在高电压或高频环境下，会产生等离子体，从而对
半导体器件产生有害影响。

为提高半导体器件的可靠性，需要进行失效分析，以了解器件失效的
原因
1.失效模式分析：对不同类型的失效进行分类和描述，以便查找相应
的失效原因。

2.加速寿命测试：通过在高温、高电压、高湿度等恶劣条件下进行长
时间测试，模拟器件在实际使用中的环境，加速失效过程，以便提前发现
问题。

3.失效分析方法：包括光学显微镜、电子显微镜、故障定位分析、X
射线衍射等多种方法，用于观察器件失效的具体细节，并找出失效的原因。

4.剖析和分析失效原因：通过对失效器件的分析和试验，找出失效的
原因和机理，如晶体缺陷、金属线断裂等。

5.提高设计和工艺：根据失效分析结果，改进器件的设计和工艺，以
提高器件的可靠性。

总之，半导体器件可靠性与失效分析在微电子领域中具有重要的意义，它不仅能提高半导体器件的可靠性，还能为微电子系统的设计和制造提供
理论指导和实践经验。

随着技术的进一步发展，可靠性和失效分析将继续
成为微电子行业的研究热点。

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。

半导体器件的失效分析与故障诊断研究随着电子信息技术的不断发展，半导体器件的应用越来越普遍。

但是，使用过程中，有时会出现失效的情况，导致设备无法正常工作。

因此，对于半导体器件的失效分析与故障诊断研究，就变得尤为重要。

1. 半导体器件的失效原因半导体器件的失效原因复杂多样，主要包括：（1）自然老化。

随着器件使用时间的增加，材料老化或者损伤，常规元器件会因为劣化、开关频次过高等因素导致失效。

（2）温度变化。

半导体器件对于温度的敏感度非常高，过高或者过低的温度都会导致器件失效，这就要求在使用半导体器件时应该严格控制其温度范围。

（3）设备超负载。

半导体器件在使用过程中如果超负载，就会损坏，引起失效。

2. 故障诊断过程当半导体器件出现故障时，需要进行相应的故障诊断。

故障诊断的流程主要包括：（1）收集信息。

通过观察失效的器件，收集相关的信息，例如故障现象、失效前的行为、作用在器件上的应力等。

（2）故障预判。

根据收集到的信息，对故障可能的原因进行预判。

（3）实验检测。

使用电子检测设备对故障电路进行检测，一般需要使用特殊的检测方法和仪器。

（4）分析推断。

通过实验检测的结果，对故障原因进行分析推断。

（5）修复故障。

根据分析推断的结果，对故障进行修复。

3. 故障诊断技术针对不同的故障原因，需要采用不同的故障诊断技术。

常用的故障诊断技术有：（1）电阻率测试。

对于半导体器件损坏的情况，一般会出现电阻率的变化，可以通过进行电阻率测试来检测故障。

（2）X射线分析。

利用X射线分析技术，可以对半导体器件的内部结构进行检测，从而找出故障原因。

（3）热分析。

热分析技术可以检测半导体器件的温度变化，从而找出可能的故障原因。

（4）光学显微镜分析。

使用光学显微镜可以对器件表面和内部进行检测，直观地观察到器件的破坏形式和位置，从而推断故障原因。

4. 常见故障案例分析对于常见的半导体器件故障原因，可以结合实际案例进行分析。

（1）压敏电阻在铝电解电容正极的电压输出端口失效。

基于微电子器件的可靠性分析摘要：近年来人们对于电子器件的要求越来越高，集成度要求高，造成电流密度的增加，对电子元件的耐压和公路容量的要求也在提高。

集成度高，电流密度增加，最频繁的工作量下，其器件的热分布也会有很大的变化，会造成电子元件的失效甚至损坏。

加强电子元件的可靠性，成为越来越重要的命题。

本文针对微电子器件的可靠性进行了分析。

关键词：基于微电子器件的可靠性分析随着电子信息产业的发展越来越快，微电子技术水平不断提高，对于微电子技术来说，电子产品的微型化，需要材料的支持，随着电子产品的缩小，相关物件想要达到一定的性能，会受到物理条件的制约，但微电子器件又需要朝着高集成度、高速度、高可性等方向发展，功能要求也需要日益强大。

这就需要提高微电子器件的可靠性，保证电子产品的正常运行。

1影响微电子器件可靠性的主要因素1.1热载流子效应，影响微电子器件的可靠性热载流子效应是影响微电子电路失效的重要因素之一。

集中度过高，造成电流密度的增加，器件中电荷的分布被改变，导致器件性能灵敏度下降甚至失效。

与此同时，热载流子效应会对集成电路的集成度及电路和器件的可靠性造成影响。

产生雪崩倍增效应、阀值电压飘逸、MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)性能退化、寄生晶体管效应。

雪崩倍增效应产生于热载流子与价电子之间的碰撞，一般在小尺寸的MOSFET中，因为源一漏电压的升高以及沟道长度的变化，夹断层会相应的产生变化。

若夹断层的热载流子与声子碰撞，热载流子会进入到栅氧化层，引起阀值电压飘逸，造成整个电路性能的缺失或不灵敏。

1.2金属化和点的迁移，也会影响微电子器件的可靠性金属原子发生扩散和迁移的物理现象是电迁移。

电迁移使得原子不断的聚集，另一侧则形成空洞，原子的聚集造成导电截面的缩小，于此同时导电截面的缩小又造成原子的聚集，最终导致器件完全的失效。

直流电在电子器件中作用于金属，会引起金属中离子位置的变动，这种电迁移现象，首先表现的是电阻的变化，进而影响金属膜局部出现破洞，或者是局部金属膜的堆积，造成电路的连线或者完全失效，影响器件的使用时间。