是什么导致半导体器件发生故障？第一部分

多年来，用户要求更可靠的电子设备。与此同时，电子设备变得越来越复杂。这两个因素的结合强调了确保长期无故障运行的必要性。故障分析可以提供对故障机制和原因的宝贵见解，进而改进组件和产品的设计，从而有助于提高电子系统的可靠性。

工程师和科学家如此频繁地研究故障，以至于他们现在有了模型或方程，我们可以用它们来预测故障何时会发生。这些模型不能预测特定设备何时会发生故障，但它们可以合理确定地预测特定条件下的故障率。

设备通常会发生故障，因为它遇到的条件超出了其最大额定值。设备发生故障的方式称为故障机制。通常，电、热、化学品、辐射、机械应力和其他因素会导致故障。区分机制和原因很重要。例如，设备可能由于机械应力引起的电气机制而失效。

半导体的常见故障机制可以分为几个主要类别。了解这些机制如何运作将帮助我们查明提供给我们进行分析的设备中的故障：

1.封装失败。当用于封装设备的封装出现故障(通常是裂缝)时，就会发生这些故障。机械或热应力以及封装材料和用于引线的金属之间的热膨胀系数差异会导致裂纹的形成。当湿度高或设备暴露于助焊剂、清洁剂等时，这些开口会让湿气进入封装。化学作用会使设备退化并导致其失效。

2.贴片失败。裸片和基板之间的不当接触会降低两者之间的导热性。结果，芯片可能会过热，从而导致应力和破裂，从而导致器件故障。

3.引线键合失败。高电流引起的热过应力、键合不当引起的键合线中的机械应力、键合线和管芯之间的界面处的裂纹、硅的电迁移以及过大的键合压力都可能导致键合失败。当结合失败时，设备也会失败，因为它的一个导体不再存在。

4.体硅缺陷。有时，由晶体缺陷或硅块体材料中存在杂质和污染物引起的故障会导致器件出现故障。在器件制造过程中由扩散问题引起的工艺缺陷也会导致器件失效。

5 、氧化层断层。通过器件引线传播的静电放电和高压瞬变会导致薄氧化层(绝缘体)损坏并导致器件故障。氧化物层中的裂纹或划痕或氧化物中存在杂质也会导致故障。

6 、铝金属故障。这些故障源于：

· 由于高电场，铝在电流方向上的电迁移，

· 由于大电流引起的电气过应力而破坏铝导体，

· 铝的腐蚀，

· 焊接造成的金属磨损，

· 接触窗口处的金属沉积不当，以及

· 小丘和裂缝的形成。

通常，需要一个特定事件或一组条件才能引发故障。本文的其余部分描述了可能导致故障的最常见事件或条件。通过了解这些原因，我们可以进行彻底的故障分析，并帮助设计人员和测试工程师生产更可靠的产品。但请记住，设备和 PCB 或最终产品中的设计错误都会产生导致设备故障的条件。但即使是那些设计问题，通常也会导致以下描述的一种或多种情况。

热过应力

热过应力——过热——会导致半导体失效。过多的热量会熔化材料、烧焦塑料、翘曲和破坏半导体芯片，并导致其他类型的损坏。一般来说，器件的工作结温不应高于 125–150°C。

军事应用旨在将结温限制在 110°C。通过应用 Arrhenius 方程，我们可以证明将器件的结温从 160°C 降低到 135°C 可以将故障率降低一半。

如果高温导致故障，请通知产品的设计人员。他们必须考虑产品包装和操作规范，以确保风扇、散热器和其他冷却设备将温度保持在规范范围内。尽管高功率设备需要散热器和风扇，但低功率设备可以简单地将热量散发到周围的空气中。此外，测试工程师必须确保在测试期间散热器和风扇保持在原位，或者其他散热设备可用于充分冷却正在测试的设备。

测试工程师可能必须监控功率半导体和功率组件的温度，以确保它们在测试期间不会在不安全的温度下操作设备，从而缩短它们的使用寿命。