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        淺淡半導體器件使用有關的失效機理和原因
        2022-06-20 452次

          半導體器件使用失效分析就是通過對失效器件進行各種測試和物理、化學、金相試驗,確定器件失效的形式(失效模式),分析造成器件失效的物理和化學過程(失效機理),尋找器件失效原因,制訂糾正和改進措施。加強半導體器件的失效分析,提高它的固有可靠性和使用可靠性,是改進電子產品質量最積極、最根本的辦法,對提高整機可靠性有著十分重要的作用。

        半導體器件使用 

          半導體器件與使用有關的失效十分突出,占全部失效器件的絕大部分。進口器件與國產器件相比,器件固有缺陷引起器件失效的比例明顯較低,說明進口器件工藝控制得較好,固有可靠性水平較高。

          01、與使用有關的失效

          與使用有關的失效原因主要有:過電應力損傷、靜電損傷、器件選型不當、使用線路設計不當、機械過應力、操作失誤等。

          ?過電應力損傷

          過電應力引起的燒毀失效占使用中失效器件的絕大部分,它發生在器件測試、篩選、安裝、調試、運行等各個階段,其具體原因多種多樣,常見的有多余物引起的橋接短路、地線及電源系統產生的電浪涌、烙鐵漏電、儀器或測試臺接地不當產生的感應電浪涌等。按電應力的類型區分,有金屬橋接短路后形成的持續大電流型電應力,還有線圈反沖電動勢產生的瞬間大電流型電應力以及漏電、感應等引起的高壓小電流電應力;按器件的損傷機理區分,有外來過電應力直接造成的PN結、金屬化燒毀失效,還有外來過電應力損傷PN結觸發CMOS電路閂鎖后引起電源電流增大而造成的燒毀失效。

          ?靜電損傷

          嚴格來說,器件靜電損傷也屬于過電應力損傷,但是由于靜電型過電應力的特殊性以及靜電敏感器件的廣泛使用,該問題日漸突出。靜電型過電應力的特點是:電壓較高(幾百伏至幾萬伏),能量較小,瞬間電流較大,但持續時間極短。與一般的過電應力相比,靜電型損傷經常發生在器件運輸、傳送、安裝等非加電過程中,它對器件的損傷過程是不知不覺的,危害性很大。從靜電對器件損傷后的失效模式來看,不僅有PN結劣化擊穿、表面擊穿等高壓小電流型的失效模式,也有金屬化、多晶硅燒毀等大電流失效模式。

          ?器件選型不當

          器件選型不當也是經常發現的使用問題引起失效的原因之一,主要是設計人員對器件參數、性能了解不全面、考慮不周,選用的器件在某些方面不能滿足所設計的電路要求。

          ?操作失誤

          操作失誤也是器件經常出現的失效原因之一,例如器件的極性接反引起的燒毀失效等。

          02、器件固有缺陷引起的失效

          與器件固有缺陷有關的失效原因主要有:表面問題、金屬化問題、壓焊絲鍵合問題、芯片鍵合問題、封裝問題、體內缺陷等。在這幾種原因中,對器件可靠性影響較大的是表面問題、鍵合問題和粘片問題引起的失效,它們均帶有批次性,且經常重復出現。

          ?表面問題

          從可靠性方面考慮,對器件影響最大的是二氧化硅層內的可動正離子電荷,它會使器件的擊穿電壓下降,漏電流增大,并且隨著加電時間的增加使器件性能逐漸劣化。有這種缺陷的器件用常規的篩選方法不能剔除,對可靠性危害很大。此外,芯片表面二氧化硅層中的針孔對器件可靠性的影響也較大。有這種缺陷的器件,針孔剛開始時往往還有一層極薄的氧化層,器件性能還是正常的,還可順利通過老煉、篩選等試驗,但長期使用后由于TDDB效應和電浪涌的沖擊,針孔就會穿通短路,引起器件失效。

          ?金屬化問題

          引起器件失效的常見的金屬化問題是臺階斷鋁、鋁腐蝕、金屬膜劃傷等。對于一次集成電路,臺階斷鋁、鋁腐蝕較為常見:對于二次集成電路來說,內部金屬膜電阻在清洗、擦拭時被劃傷而引起開路失效也是常見的失效模式之一。

          ?壓焊絲鍵合問題

          常見的壓焊絲鍵合問題引起的失效有以下幾類。 (1)壓焊絲端頭或壓焊點沾污腐蝕造成壓焊點脫落或腐蝕開路。(2)外壓焊點下的金層附著不牢或發生金鋁合金,造成壓焊點脫落。(3)壓焊點過壓焊,使壓焊絲頸部斷開造成開路失效。(4)壓焊絲弧度不夠,與芯片表面夾角太小,容易與硅片棱或與鍵合絲下的金屬化鋁線相碰,造成器件失效。

          ?芯片鍵合問題

          最常見的是芯片粘結的焊料太少、焊料氧化、燒結溫度過低等引起的開路現象。芯片鍵合不好,焊料氧化發黑,導致芯片在"磁成形"時受到機械應力作用后從底座抬起分離,造成開路失效。

          ?封裝問題

          封裝問題引起的失效有以下幾類。(1)封裝不好,管殼漏氣,使水汽或腐蝕性物質進入管殼內部,引起壓焊絲和金屬化腐蝕。(2)管殼存在缺陷,使管腿開路、短路失效。(3)內涂料龜裂、折斷鍵合鋁絲,造成器件開路或瞬時開路失效。這種失效現象往往發生在器件進行高、低溫試驗時。

          ?體內缺陷

          半導體器件使用體內存在缺陷也可引起器件的結特性變差而失效,但這種失效形式并不多見,而經常出現的是體內缺陷引起器件二次擊穿耐量和閂鎖閾值電壓降低而造成燒毀。

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