功率半导体器件失效是指其功能完全或部分丧失、参数显著漂移,或者间歇性出现这些情况。器件一旦发生失效,无论是否可以恢复,对于应用来说都不允许再使用。
失效模式则是指产品失效的形式、形态和现象,是产品失效的外在宏观表现。不同类别的产品失效模式各不相同,对于功率芯片而言,直接的失效模式就是电极之间直通、热烧毁、参数漂移等等。
导致出现器件失效的原因多种多样,引起器件失效的外因可以是环境应力、电应力、机械应力等,内因则是其衬底材料、钝化层材料、器件结构等一系列化学、物理变化,这是失效发生的内在本质。
一般可以对失效分类为:失效机理、失效时间、失效后果等对产品进行分类。
失效机理分类
按照失效机理,可以对功率芯片分为结构性失效、热失效、电失效、腐蚀性失效等。
1、结构性失效:指功率芯片或模块的结构件因材料或衬底的损伤或蠕变等而造成的失效,如疲劳断裂、磨损、变形等。结构性失效主要是由结构件的材料特性以及受到的机械应力造成的。当然,有时这会和器件的热应力和电应力相关;
2、热失效则是芯片或模块产品由于过热或温度急剧温度变化而导致的烧毁、熔融、迁移或断裂等情况。热失效主要是由热应力造成的,但对于模块而言,往往也和模块的结构设计、底板或焊接材料等选择相关。
电失效则是指功率芯片或模块因过电或长期电应力作用而导致的烧毁、熔融、参数漂移或退化等失效。电失效主要是由电应力造成的,但与芯片内部的缺陷或模块的封装缺陷密切相关。
4、腐蚀性失效则是产品受到化学腐蚀、电化学腐蚀、或封装材料出现老化、变质而造成的失效。主要是由腐蚀性物质,如酸碱等的侵入或残留造成的,也与外部环境的温度、湿度、电压等因素相关。
失效时间特征分类
功率器件产品失效可以分为早期失效、偶然失效和耗损失效。
1、早期失效是由芯片内部缺陷或模块封装材料缺陷或制造过程中引入的缺陷而造成的失效,这个阶段的失效率往往是最高的,可以通过特定的可靠性试验或老化试验来筛选剔除有缺陷的产品,使得后期失效率大幅降低并稳定。在这个早期失效的过程中,对于工程人员必须明确引起失效的缺陷或产生途径,并通过一定的措施来进行控制。
2、偶然失效,这个则是因随机发生的事件引起的失效,这时产品失效发生的概率较小且具有随机性,要预防和控制偶然失效的发生,同样需要寻找失效的原因。引起偶然失效的原因有设计裕量不足、潜在缺陷、偶发应力和一些人为因素等。
3、耗损失效则是由于长期工作或恶劣环境造成产品性能、功能发生不可逆变化而引起的失效,这时的产品的失效率快速增大,最终失效。引起耗损失效的原因有原子/离子迁移、界面效应、辐射效应、热电效应、电化学腐蚀、磨损、断裂或疲劳等。
失效后果分类
功率器件按失效后果的失效可以分为参数漂移、退化失效、功能失效、间歇失效等。
1、参数漂移是指功率器件的一个或多个参数发生正向或逆向漂移,如阈值、漏电值、导通电阻等超过规定的变化范围而失效。
2、退化失效则是器件的一个或多个参数或产品某个特性发生退化性变化直至达不到规定要求而失效。退化失效是一个渐变的过程,可以是长期应力作用、接触界面材料互扩散、电化学腐蚀、电迁移等引起的。
3、功能失效则是产品部分丧失或完全丧失规定的功能而失效,可以使过应力、退化引起的性能突变、腐蚀等引起的。
4、间歇失效则是功率器件在试验或使用过程中出现时好时坏现象的失效。可以是离子玷污、金属间化合物形成、应力导致的缺陷等引起的。
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