大功率半導體元器件可靠性分析

摘 要：半導體元器件在電子學方面占有重要地位，原因是重量輕、體積較小、功耗低、具有較高可靠性。但是，由于構成設備和系統功能較復雜，器件的數量增多，且使用環境比較嚴酷，導致器件工程退化和失效現象比較普遍。本文介紹了大功率半導體元器件可靠性的意義、內容、失效分析及可靠性篩選。

關鍵詞：大功率；半導體；元器件；可靠性

產品的可靠性是衡量質量的重要指標，是能否保持優良性能的關鍵因素。若產品出現不可靠問題，技術性能就無法得到發揮，那么可靠性也就毫無保障。

一、提升半導體元器件可靠性的意義

伴隨國防任務和科研任務的發展進步，電子設備及其系統也呈現愈加復雜的趨勢。半導體設備的可靠性和所用的元器件總量有很大關系，數量越多，相應的可靠性問題就越突出。比如一個串聯系統，如果一個元器件出現故障，會導致整個系統整體出現故障。因此，半導體設備的可靠程度是其使用元器件可靠程度的乘積，使用元器件越多，半導體設備對器件的可靠性要求就越高。

半導體元器件是否具有較高可靠性，是由其使用形式直接決定的。隨著半導體元器件使用范圍逐漸增多，使用條件更為復雜，器件可能要面對高低溫、高低壓、振動和沖擊、輻射等惡劣環境條件，對元器件的可靠性要求越來越高。比如，一個導彈系統，如果電子設備可靠性沒有保證，在發射過程中出現失靈，會導致巨大經濟損失和無法估量的政治后果。

二、半導體元器件可靠性的內容

器件的可靠性要從構思設計到使用報廢全過程貫穿始終，影響因素包括技術、組織管理、設計構思、生產及使用過程，因此，從器件的設計階段開始，就要為可靠性奠定基礎。半導體元器件的可靠性是在一定的時間和條件下實現預定功能的能力，它對規定條件、時間和規定功能有很大影響，通常我們可以用“概率”來衡量半導體元器件在規定時間內完成預定功能的能力大小。

半導體元器件的可靠性工作從設計開始就應進行質量控制，在器件生產后篩選抽樣檢測，對可靠性進行試驗，并對器件進行初步分析、情況調查、外觀檢查和特性檢測，對失效模式分類，進行失效機理分析、電分析、顯微分析和先進設備分析，找出失效模式和機理，制定糾正措施，對器件設計、生產和測試進行反饋并加以改進。

三、常見的失效分布及失效分析

（一）失效分布

半導體元器件可靠性的數量特征和其失效分布有很大的關系，不同的失效分布類型處理方式也不同。由于半導體元器件自身的特點，在沒有惡劣外界條件影響情況下，早期失效最為明顯，偶然失效期較長，失效率有緩慢下降的整體趨勢。一般情況下，很難觀察到明顯的失效階段，半導體元器件的失效分布類型包括：

（1）早期失效期。這一階段有很高的失效率，但會伴隨時間增加而下降。失效的主要原因是設計和制造過程中的缺陷，比如原材料存在缺陷、制造工藝質量較差或不嚴格的質量檢驗等。因此，在半導體元器件交付使用之前，就要進行合理篩選，把早期就已失效的產品進行淘汰。

（2）偶然出現的失效期。在這個階段，半導體元器件失效的發生存在隨機性，這時期內較接近于正常數，失效率較低，因此被稱為偶然失效期，也是產品最好的工作階段。

（3）耗損失效期。到此階段，半導體元器件由于磨損、老化、疲勞及損耗等整體性原因，造成失效率提高，并伴隨時間的增加而逐漸提升。

（二）失效分布指標顯示

（1）浴盆曲線。半導體元器件失效率和時間的關系呈曲線分布，稱為浴盆曲線。浴盆曲線是對半導體元器件失效規律較為準確的概括，對于不同種類、制造工藝、生產批次和工作要求，失效規律也有所不同，這些差距僅僅反映在函數個別參量的不同，為實際工作帶來較大的便利。

（2）威布爾分布。在半導體元器件失效分布中，威布爾分布應用量較多，可以體現出失效函數、失效密度和失效率函數，在計算公式中，包括形狀參數、位置參數和尺度參數，其中形狀參數最為重要，表示一批次產品的分散度指標，它能具體反映出早期失效期、偶然失效期和耗損失效期，位置參數可以反映出失效分布的出發點。

（三）失效分析

對大功率半導體失效器件要分析失效原因，進行糾錯后提高可靠性。通過篩選只能在成品上進行，更為積極主動的方法是提早了解器件失效模式和機理，制訂出驗收及使用規范。半導體元器件在使用產品的選擇、整機計劃制定及制定生產可靠性方案方面都必須進行失效分析。完整的失效分析包括：現場原始記錄、失效模式鑒別、失效特征描述、失效機理假設、證實、實施糾正措施。

半導體元器件失效模式模型是利用失效物理學原理分析和預測可靠性的一種方法，通過定量的方式表示各種失效模式統計規律及在總失效中所占比例。大功率元器件失效模式模型重點是在元器件“怎樣”失效方面，通常是以外觀觀察、電測試及打開管殼后觀察監測等手段確定。

四、可靠性試驗及可靠性篩選

可靠性試驗是對受驗樣品施加一定外力，并在外力作用下，觀察性能是否穩定，結構狀態是否完整或變形，進而辨別是否失效。大功率半導體元器件可靠性試驗分類如下：按試驗目的劃分為篩選試驗、鑒定驗收試驗和例行試驗；按試驗項目劃分為環境試驗和壽命試驗。

可靠性篩選是將不符合要求的元器件通過各種方式刪除、淘汰而留下合格的優等元器件。篩選應在元器件成品或半成品剛生產出來就進行，理想的篩選條件和應力，應該使篩選后的器件失效率在浴盆曲線早期失效結束、偶然失效開始的那個拐點位置。半導體元器件可靠性篩選是保證出廠產品有較高可靠性的有效措施。

五、結語

半導體元器件較高可靠性的實現，是產品質量保證的重要指標，有效滿足了人們生產生活的需要，促進了社會經濟建設和國防建設的發展。

參考文獻：

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作者簡介：楊俊艷（1977），女，漢族，陜西西安人，2001年西安交通大學電子科學與技術專業本科畢業，助理工程師，現就職于西安派瑞功率半導體變流技術股份有限公司

，研究方向：半導體技術。