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淺淡半導體器件使用有關(guān)的失效機理和原因
2022-06-20 977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(chǎn)品質(zhì)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(guān)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(chǎn)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(guān)的失效

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

  ?過電應(yīng)力損傷

  過電應(yīng)力引起的燒毀失效占使用中失效器件的絕大部分,它發(fā)生在器件測試、篩選、安裝、調(diào)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(tǒng)產(chǎn)生的電浪涌、烙鐵漏電、儀器或測試臺接地不當產(chǎn)生的感應(yīng)電浪涌等。按電應(yīng)力的類型區(qū)分,有金屬橋接短路后形成的持續(xù)大電流型電應(yīng)力,還有線圈反沖電動勢產(chǎn)生的瞬間大電流型電應(yīng)力以及漏電、感應(yīng)等引起的高壓小電流電應(yīng)力;按器件的損傷機理區(qū)分,有外來過電應(yīng)力直接造成的PN結(jié)、金屬化燒毀失效,還有外來過電應(yīng)力損傷PN結(jié)觸發(fā)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(yīng)力損傷,但是由于靜電型過電應(yīng)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(yīng)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(xù)時間極短。與一般的過電應(yīng)力相比,靜電型損傷經(jīng)常發(fā)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(jié)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(jīng)常發(fā)現(xiàn)的使用問題引起失效的原因之一,主要是設(shè)計人員對器件參數(shù)、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(shè)計的電路要求。

  ?操作失誤

  操作失誤也是器件經(jīng)常出現(xiàn)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(guān)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(nèi)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(jīng)常重復出現(xiàn)。

  ?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(nèi)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(guī)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(yīng)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(nèi)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(fā)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(jié)的焊料太少、焊料氧化、燒結(jié)溫度過低等引起的開路現(xiàn)象。芯片鍵合不好,焊料氧化發(fā)黑,導致芯片在"磁成形"時受到機械應(yīng)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(zhì)進入管殼內(nèi)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(nèi)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(xiàn)象往往發(fā)生在器件進行高、低溫試驗時。

  ?體內(nèi)缺陷

  半導體器件使用體內(nèi)存在缺陷也可引起器件的結(jié)特性變差而失效,但這種失效形式并不多見,而經(jīng)常出現(xiàn)的是體內(nèi)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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