功率半导体器件失效,指的是器件功能完全或部分丧失、参数发生显著漂移,或间歇性出现上述异常状态。无论失效是否可逆,一旦发生,该器件在实际应用中便不再具备使用条件,必须予以更换或废弃。
一、按失效机理分类
根据失效产生的内在机制,可将功率芯片失效分为结构性失效、热失效、电失效和腐蚀性失效等类型。
1. 结构性失效
指功率芯片或模块中的结构部件因材料本身问题、衬底损伤、蠕变等原因导致的失效,常见表现有疲劳断裂、磨损、结构变形等。此类失效主要与结构材料的机械特性及所受机械应力有关,有时也与热应力、电应力存在耦合关系。
2. 热失效
由于器件过热或温度剧烈波动引发的烧毁、金属熔融、材料迁移或断裂等失效现象。热失效主要由热应力引起,对功率模块而言,其结构设计、基板材料选择、焊接工艺等也会显著影响其热可靠性。
3. 电失效
因电流过载、电压击穿或长期电应力作用导致的器件烧毁、熔融、参数漂移或性能退化。电失效的直接诱因是电应力,但其背后往往与芯片内部缺陷、封装工艺不良等因素密切相关。
4. 腐蚀性失效
二、按失效时间特征分类
根据失效发生的时间规律,可将功率器件失效分为早期失效、偶然失效和耗损失效。
1. 早期失效
主要由芯片内部缺陷、封装材料缺陷或制造过程中引入的瑕疵导致。这一阶段的失效率通常较高,但可通过可靠性测试或老化筛选等手段将有缺陷的产品剔除,从而使后期失效率显著降低并趋于稳定。工程实践中,必须准确定位导致早期失效的缺陷类型及其产生路径,并采取针对性控制措施。
2. 偶然失效
由随机事件引发的失效,发生概率较低且难以预测。其诱因可能包括设计裕量不足、潜在工艺缺陷、突发性应力事件或人为操作失误等。要减少偶然失效,同样需要深入分析失效根源。
3. 耗损失效
因长期工作或恶劣环境导致器件性能发生不可逆退化而引发的失效。进入耗损期后,产品失效率会迅速上升。常见原因包括原子/离子迁移、界面态变化、热电效应、电化学腐蚀、材料磨损、疲劳断裂等。
三、按失效后果分类
1. 参数漂移
指器件的阈值电压、漏电流、导通电阻等关键参数发生超出规定范围的偏移,导致器件无法满足应用要求。
2. 退化失效
器件的一个或多个参数随时间逐渐劣化,最终超出规范范围。这是一个渐变过程,可能由长期应力作用、材料界面互扩散、电化学腐蚀、电迁移等因素引起。
3. 功能失效
器件部分或全部功能丧失,无法完成既定操作。可能由过应力冲击、性能的突然退化、腐蚀等原因导致。
4. 间歇失效
四、案例分析


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