大功率半导体元器件可靠性分析

摘 要：半导体元器件在电子学方面占有重要地位，原因是重量轻、体积较小、功耗低、具有较高可靠性。但是，由于构成设备和系统功能较复杂，器件的数量增多，且使用环境比较严酷，导致器件工程退化和失效现象比较普遍。本文介绍了大功率半导体元器件可靠性的意义、内容、失效分析及可靠性筛选。

关键词：大功率；半导体；元器件；可靠性

产品的可靠性是衡量质量的重要指标，是能否保持优良性能的关键因素。若产品出现不可靠问题，技术性能就无法得到发挥，那么可靠性也就毫无保障。

一、提升半导体元器件可靠性的意义

伴随国防任务和科研任务的发展进步，电子设备及其系统也呈现愈加复杂的趋势。半导体设备的可靠性和所用的元器件总量有很大关系，数量越多，相应的可靠性问题就越突出。比如一个串联系统，如果一个元器件出现故障，会导致整个系统整体出现故障。因此，半导体设备的可靠程度是其使用元器件可靠程度的乘积，使用元器件越多，半导体设备对器件的可靠性要求就越高。

半导体元器件是否具有较高可靠性，是由其使用形式直接决定的。随着半导体元器件使用范围逐渐增多，使用条件更为复杂，器件可能要面对高低温、高低压、振动和冲击、辐射等恶劣环境条件，对元器件的可靠性要求越来越高。比如，一个导弹系统，如果电子设备可靠性没有保证，在发射过程中出现失灵，会导致巨大经济损失和无法估量的政治后果。

二、半导体元器件可靠性的内容

器件的可靠性要从构思设计到使用报废全过程贯穿始终，影响因素包括技术、组织管理、设计构思、生产及使用过程，因此，从器件的设计阶段开始，就要为可靠性奠定基础。半导体元器件的可靠性是在一定的时间和条件下实现预定功能的能力，它对规定条件、时间和规定功能有很大影响，通常我们可以用“概率”来衡量半导体元器件在规定时间内完成预定功能的能力大小。

半导体元器件的可靠性工作从设计开始就应进行质量控制，在器件生产后筛选抽样检测，对可靠性进行试验，并对器件进行初步分析、情况调查、外观检查和特性检测，对失效模式分类，进行失效机理分析、电分析、显微分析和先进设备分析，找出失效模式和机理，制定纠正措施，对器件设计、生产和测试进行反馈并加以改进。

三、常见的失效分布及失效分析

（一）失效分布

半导体元器件可靠性的数量特征和其失效分布有很大的关系，不同的失效分布类型处理方式也不同。由于半导体元器件自身的特点，在没有恶劣外界条件影响情况下，早期失效最为明显，偶然失效期较长，失效率有缓慢下降的整体趋势。一般情况下，很难观察到明显的失效阶段，半导体元器件的失效分布类型包括：

（1）早期失效期。这一阶段有很高的失效率，但会伴随时间增加而下降。失效的主要原因是设计和制造过程中的缺陷，比如原材料存在缺陷、制造工艺质量较差或不严格的质量检验等。因此，在半导体元器件交付使用之前，就要进行合理筛选，把早期就已失效的产品进行淘汰。

（2）偶然出现的失效期。在这个阶段，半导体元器件失效的發生存在随机性，这时期内较接近于正常数，失效率较低，因此被称为偶然失效期，也是产品最好的工作阶段。

（3）耗损失效期。到此阶段，半导体元器件由于磨损、老化、疲劳及损耗等整体性原因，造成失效率提高，并伴随时间的增加而逐渐提升。

（二）失效分布指标显示

（1）浴盆曲线。半导体元器件失效率和时间的关系呈曲线分布，称为浴盆曲线。浴盆曲线是对半导体元器件失效规律较为准确的概括，对于不同种类、制造工艺、生产批次和工作要求，失效规律也有所不同，这些差距仅仅反映在函数个别参量的不同，为实际工作带来较大的便利。

（2）威布尔分布。在半导体元器件失效分布中，威布尔分布应用量较多，可以体现出失效函数、失效密度和失效率函数，在计算公式中，包括形状参数、位置参数和尺度参数，其中形状参数最为重要，表示一批次产品的分散度指标，它能具体反映出早期失效期、偶然失效期和耗损失效期，位置参数可以反映出失效分布的出发点。

（三）失效分析

对大功率半导体失效器件要分析失效原因，进行纠错后提高可靠性。通过筛选只能在成品上进行，更为积极主动的方法是提早了解器件失效模式和机理，制订出验收及使用规范。半导体元器件在使用产品的选择、整机计划制定及制定生产可靠性方案方面都必须进行失效分析。完整的失效分析包括：现场原始记录、失效模式鉴别、失效特征描述、失效机理假设、证实、实施纠正措施。

半导体元器件失效模式模型是利用失效物理学原理分析和预测可靠性的一种方法，通过定量的方式表示各种失效模式统计规律及在总失效中所占比例。大功率元器件失效模式模型重点是在元器件“怎样”失效方面，通常是以外观观察、电测试及打开管壳后观察监测等手段确定。

四、可靠性试验及可靠性筛选

可靠性试验是对受验样品施加一定外力，并在外力作用下，观察性能是否稳定，结构状态是否完整或变形，进而辨别是否失效。大功率半导体元器件可靠性试验分类如下：按试验目的划分为筛选试验、鉴定验收试验和例行试验；按试验项目划分为环境试验和寿命试验。

可靠性筛选是将不符合要求的元器件通过各种方式删除、淘汰而留下合格的优等元器件。筛选应在元器件成品或半成品刚生产出来就进行，理想的筛选条件和应力，应该使筛选后的器件失效率在浴盆曲线早期失效结束、偶然失效开始的那个拐点位置。半导体元器件可靠性筛选是保证出厂产品有较高可靠性的有效措施。

五、结语

半导体元器件较高可靠性的实现，是产品质量保证的重要指标，有效满足了人们生产生活的需要，促进了社会经济建设和国防建设的发展。

参考文献：

[1]王文知，井红旗，祁琼，等.大功率半导体激光器可靠性研究和失效分析[J].发光学报，2017，（2）：165169.

[2]马俊.半导体集成电路可靠性测试及数据处理方法分析研究[J].电脑编程技巧与维护，2016，（10）：2829.5253.

作者简介：杨俊艳（1977），女，汉族，陕西西安人，2001年西安交通大学电子科学与技术专业本科毕业，助理工程师，现就职于西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司

，研究方向：半导体技术。