半导体器件可靠性和失效分析微电子共52页文档
【推荐】半导体器件可靠性与失效分析培训教材52
2011-2012-1
教材：
付桂翠,陈颖等,<电子元器件可靠性技术教程>
北京航空航天大学出版社,2010年7月第一版.
(普通高校“十一五”规划教材)
参考书:
1. 孔学东,恩云飞,<电子元器件失效分析与 典型案例>,国防工业出版社, 2006年9月 第一版.
2. 王蕴辉,于宗光等,<电子元器件可靠性设 计>,科学出版社.
局域缺陷：氧化物针孔等点缺陷，不可完全消除， 损失的成品率更高。
【推荐】半导体器件可靠性与失效分 析培训 教材52
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自20世纪60年代以后，很多真空电子器 件已逐步为固态电子器件所取代，但在高频 率、大功率领域，真空电子器件仍然具有相 当生命力，而电子束管和光电管仍将广泛应 用并有所发展。[1] 真空电子器件里面就包含 真空断路器，真空断路器具有很多优点，所 以在变电站上应用很多。真空断路器已被快 易优收录，由于采用了特殊的真空元件，随 着近年来制造水平的提高，灭弧室部分的故 障明显降低。真空灭弧室无需检修处理，当 其损坏时，只能采取更换。真空断路器运行 中发生的故障以操作机构部分所占比重较大， 其次为一次导电部分，触头导电杆等。
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▪电位器
▪失效模式：接触不良、滑动噪声பைடு நூலகம்、开路等
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▪二极管
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个部分构成而且一般不能被分解或不会破坏的某个 装置。
半导体器件失效分析与检测
半导体器件失效分析与检测摘要：本文对半导体器件的失效做了详尽分析，并介绍了几种常用的失效检测方法。
1 半导体器件失效剖析经过剖析可知形成半导体器件失效的要素有很多，我们主要从几个方面进论述。
1.1 金属化与器件失效环境应力对半导体器件或集成电路牢靠性的影响很大。
金属化及其键合处就是一个不容无视的失效源。
迄今，大多数半导体器件平面工艺都采用二氧化硅作为掩膜钝化层。
为在芯片上完成互连，常常在开窗口的二氧化硅层上淀积铝膜即金属化。
从物理、化学角度剖析，金属化失效机理大致包括膜层张力、内聚力、机械疲倦、退火效应、杂质效应及电迁移等。
1.2 晶体缺陷与器件失效晶体缺陷招致器件失效的机理非常复杂，有些问题至今尚不分明。
晶体缺陷分晶体资料固有缺陷(如微缺陷)和二次缺陷两类。
后者是在器件制造过程中，由于氧化、扩散等热处置后呈现或增殖的大量缺陷。
两种缺陷或者彼此互相作用，都将招致器件性能的退化。
二次击穿就是晶体缺陷招来的严重结果。
1.2.1 位错这种缺陷有的是在晶体生长过程中构成的(原生位错)，有的是在器件工艺中引入的(诱生位错)。
位错易沿位错线加速扩散和析出，间接地促成器件劣化。
事实证明，表面杂质原子(包括施主和受主)沿位错边缘的扩散比在圆满晶体内快很多，其结果常常使P-N结的结平面不平整以至穿通。
鉴于位错具有“吸除效应”，对点缺陷如杂质原子、点阵空位、间隙原子等起到内部吸收的作用，故适量的位错反而对器件消费有利。
1.2.2 沉淀物除位错形成不平均掺杂外，外界杂质沾污也会带来严重结果，特别是重金属沾污，在半导体工艺中是经常发作的。
假如这些金属杂质存在于固溶体内，其危害相对小一些;但是，一旦在P-N结处构成堆积物，则会产生严重失效，使反向漏电增大，以至到达毁坏的水平。
堆积需求成核中心，而位错恰恰提供了这种中心。
硅中的二次孪生晶界为堆积提供了有利的成核场所，所以具有这种晶界的二极管，其特性明显变软。
1.2.3 二次缺陷。
功率半导体IGBT失效分析与可靠性
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。
半导体器件可靠性与失效分析培训教材课件(PPT52页)
半导体器件可靠性与失效分析培训教 材(PPT5 2页)工 作培训 教材工 作汇报 课件管 理培训 课件安 全培训 讲义PP T服务 技术
▪器件：在工厂生产加工时改变了分子结构的 成品，本身能产生电子，对电压电流的控制、 变换(放大、开关、整流、检波、振荡和调制 等)，也称电子器件。
▪分类(来源： ▪2007年版的 ▪《军用电子 ▪元器件合格 ▪产品目录》)
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▪声表面波器件
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3. 孙青等,<电子元器件可靠性工程>,电子工 业出版社.
理论教学内容
1.元器件概述(1) 2.元器件制造工艺与缺陷(1) 3.微电子封装技术与失效(1) 4.可靠性试验与评价技术(3) 5.使用可靠性设计(2) 6.元器件的降额设计与热设计(4) 7.静电放电损伤及防护(2) 8.可靠性筛选(2) 9.破坏性物理分析与失效分析(6) 10.失效分析案例(4)
半导体器件的失效分析与故障诊断研究
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。
半导体器件失效分析_半导体器件芯片焊接技巧及控制
半导体器件失效分析_半导体器件芯片焊接技巧及控制随着技术的发展，芯片的焊接（粘贴）技巧也越来越多并不断完善。
半导体器件焊接（粘贴）失效主要与焊接面洁净度差、不平整、有氧化物、加热不当和基片镀层质量有关。
树脂粘贴法还受粘料的组成结构及其有关的物理力学性能的制约和影响。
要解决芯片微焊接不良问题，必须明白不同技巧的机理，逐一分析各种失效模式，及时发现影响焊接（粘贴）质量的不利因素，同时严格生产过程中的检验，加强工艺管理，才能有效地避免因芯片焊接不良对器件可靠性造成的潜在危害。
本文首先介绍了芯片焊接（粘贴）技巧及机理，其次介绍了失效模式分析，最后介绍了焊接质量的三种检验技巧以及焊接不良原因及对应措施，具体的跟随小编一起来了解一下。
芯片焊接（粘贴）技巧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技巧。
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。
其技巧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技巧之一，它所需的固化温度低，这能够避免热应力，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，能够用来改善热导率。
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。
树脂在高温下简单分解，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。
半导体三极管的失效分析与可靠性研究
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。
半导体器件可靠性与失效全面分析
