功率器件失效分析，元件失效分析

功率器件失效分析，元件失效分析

1 功率器件封装简介及分类

1.1 封装简介在芯片的应用过程中，封装（Package）工艺是必不可少的。简单地说，该工序就是为半导体集成电路芯安装一个外壳，具备两方面的功能，其一是稳定、密封和保护芯片；其二是发挥芯片散热的作用，其三是连接芯片内部和外部的载体。

从作用机理来说，通常包括连接电气、物理保护以及标准规格化。封装质量的好坏直接影响器件运行效率的高低，尤其针对功率半导体器件，封装还会起到两方面特殊的作用：良好的封装可以帮助器件散热；针对较大的芯片，封装可以产生封装和焊接芯片过程中的应力，避免芯片破碎。

1.2 封装形式分类

1.2.1 塑封直列式封装塑料封装大优势是适合大批量生产、工艺简单、成本较低，由此适应性极强，应用和发展的趋势良好，在封装行业的总体份额中占比越来越大，在全球集成电路的封装市场上，95%以上为塑封直列式。消费类电路合格器件的封装几乎都是该类型的封装；

同时工业类电路中也占据很大的比例。该类封装的形式也是多的。普遍使用的有两种封装形式：TO—220；TO—247。塑料封装的电流传送量很大。为了提升散热效果，会将塑封器件紧贴线路板或者散热器，实现佳的散热效果。

1.2.2 大功率器件应用模块随着近些年日益普及的igbt，可以将单个igbt、两个或者三个igbt，与控制电路放在一个模块中实施封装。而且正在出现的多模块（mcm）形式，代表了封装领域的新趋势。

1.2.3 塑封表面贴装及其他塑料封装是一种对功率器件表面贴装模式，这是80年代得到迅速发展的塑封形式。通常采用两端和三端进行分立器件的封装。虽然单个分立器件不需要许多端子，但是端子的增加有利于电流的流动和散热。例如，t0263、t0262和其他形式的包装类似于此特性 ［2］ 。

1.2.4 高可靠性封装该封装模式多半在或航天领域应用。基于可靠性的要求，外壳利用金属封装。

2 功率器件的失效分析

2.1 焊料空洞导致EOS失效本文借鉴了相关文献的研究成果，确定了影响器件散热的因素为焊料的空洞，对不同尺寸空洞影响器件散热的程度进行深刻分析，并以此为基础深入探讨研究器件芯片可靠性受焊料空洞影响程度及其热应力的状况。

目前广泛应用的环氧塑封料形式呈现热导系数非常低，热导体效果不佳，功率器件运行中形成的热量传递的途径唯有芯片。如图1所示，图1中箭头的方向就是芯片在工作状态下产生热的传输方向。从图1中不难看出，如果焊料内空洞形成的原因是器件生产过程中工艺不当，基于空气导热系数只有0.03w/ （m.k），表现热导体的不佳状态，器件散热受到影响，在这样的状态下长久运行，ESO会因为大量热量的积累而导致器件失效。

2.2 栅极开路导致EOS失效场效应晶体管（mosfet），是电压管控的一种手段，在绝缘层的沟道区对栅压实施有效的管控，而利用栅压大小的改变对此区域的载流子浓度实施调控，从而确保源漏间电流大小的有效控制。因为打线不牢导致栅极引线升离或是因为长时间的热循环让引线跟部裂纹产生断裂后，产生栅极开路，从而失去栅极控制电流的能力，引发EOS，导致器件失效。

2.3 芯片裂纹导致EOS失效硬而脆的单晶硅晶体具备金刚石的品质，一旦形成硅片受力容易脆断与开裂。在引线键合、晶圆减薄、芯片焊接、圆片划片等工序中都可以形成硅芯片裂纹。

通常情况下，芯片只是在引线区域外的微裂纹，就难以被发现，糟糕的情况是在工艺实施中没有发现芯片裂纹，更甚者是电学测试芯片的时候，微裂纹的芯片与没有裂纹的芯片在电特反应上不存在差别，但微裂纹会危及封装后器件的可靠性、降低器件的使用年限。裂纹只有下列几种情况才能显示出来：采用十分靠谱的高低温循环实验或者是器件散热时候瞬间加热，呈现不匹配的芯片和封装材料热膨胀系数，还有运行中的外界应力作用等。否则是难以发现裂纹的，这也会成为器件封装失效的原因。