失效分析的原因、機理及其過程介紹

以IGBT、MOSFET為主的電力電子器件通常具有十分廣泛的應用，但廣泛的應用場景也意味著可能會出現各種各樣令人頭疼的失效情況，進而導致機械設備發(fā)生故障！

因此，正確分析電力電子器件的失效情況，對于提高電力電子器件的應用可靠性顯得尤為重要。

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失效分析簡介

失效分析的過程一般是指根據失效模式和現象，通過分析和驗證，模擬重現失效的現象，找出失效的原因，挖掘出失效的機理的過程。

器件失效是指其功能完全或部分喪失、參數漂移，或間歇性出現以上情況。失效模式是產品失效的外在宏觀表現，有開路、短路、時開時斷、功能異常、參數漂移等。按照失效機理，失效可分為結構性失效、熱失效、電失效、腐蝕失效等。

1、結構性失效

指產品的結構由于材料損傷或蛻變而造成的失效，如疲勞斷裂、磨損、變形等。主要由結構材料特性及受到的機械應力造成，有時候也和熱應力和電應力有關。

2、熱失效

指產品由于過熱或急劇溫度變化而導致的燒毀、熔融、蒸發(fā)、遷移、斷裂等失效。主要由熱應力造成，往往也與產品的結構設計、材料選擇有關。

3、電失效

產品由于過電或長期電應力作用而導致的燒毀、熔融、參數漂移或退化等失效。主要由電應力造成，但與材料缺陷、結構密切相關。

4、腐蝕性失效

指產品受到化學腐蝕、電化學腐蝕，或材料出現老化、變質而造成的失效。主要由腐蝕性物質（如酸、堿等）的侵入或殘留造成，也與外部的溫度、濕度、電壓等因素有關。

通過確認失效模式、分析失效機理，明確失效原因，最終給出預防對策，可以減少或避免失效的再次發(fā)生。失效分析對產品的生產和使用都具有重要的意義。

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失效分析流程

失效分析的原則是先進行非破壞性分析，后進行破壞性分析；先外部分析，后內部（解剖）分析；先調查了解與失效有關的情況（應用條件、失效現象等），后分析失效器件。

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失效分析常用技術

在開展失效分析時，一定是和相應的技術手段和設備手段密不可分的。常用技術手段分為以下幾類：

1、電氣測試技術

對失效現象、失效模式進行確認，以及在失效激發(fā)及驗證試驗前后的電性能測試。例如在進行芯片損傷外觀鑒定之前，可進行IV測試，得到損傷器件的靜態(tài)特性參數，初步確定失效情況；

2、顯微形貌和顯微結構分析技術

在微米和納米尺度對元器件進行觀察和分析，以發(fā)現器件內部的失效現象和區(qū)域。顯微形貌分析技術包括光學顯微（OM）分析、掃描電子顯微（SEM）分析、透射電子顯微（TEM）分析等。顯微結構分析技術包括以X射線顯微透視、掃描聲學顯微（SAM）探測為代表的無損顯微結構探測技術。

3、物理性能探測技術

對器件在特定狀態(tài)下激發(fā)產生的微量光熱磁等信息進行提取和分析，已確定失效部位、分析失效機理。技術包括電子束測試（EBT）、微光探測、顯微紅外熱像、顯微磁感應技術等。

4、微區(qū)成分分析技術

用來對內部微小區(qū)域的微量成分進行分析。技術包括能量散射譜儀（EDS）、俄歇電子譜法（AES）、二次離子質譜法（SIMS）、X射線光電子譜法（XPS）、傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）、內部氣氛分析法（IVA）等。

5、應力驗證技術

基本手段如開展透射顯微鏡（TEM）分析時，就需要采用聚焦離子束（FIB）對器件進行定點取樣和提取。有時需要開展一些應力試驗來激發(fā)失效、復現失效模式或觀察在應力條件下失效的變化趨勢。

6、解剖制樣技術

實現芯片表面和內部的可觀察性和可探測性。例如開封技術、半導體芯片表面去鈍化和去層間介質、機械剖面制備技術和染色技術等。

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功率器件常見失效現象

1、過壓

集電極-發(fā)射極過壓時，在芯片周圍會出現大范圍燒毀的痕跡。原因可能包括關斷浪涌電壓、母線電壓上升、控制信號異常、外部的浪涌電壓（雷電浪涌等）等。

柵極-發(fā)射極過壓時，柵極bonding線或是集成柵極極電阻周圍會有燒毀的痕跡。原因可能包括靜電、柵極驅動回路異常、柵極震蕩、外部浪涌等。

2、過流

過電流脈沖時，bonding線和發(fā)射極交接處會有燒毀的痕跡。原因可能包括過電流保護不工作、串聯支路短路、輸出短路或輸出接地等。

3、超出反偏安全工作區(qū)

芯片正面可看到燒熔的洞。原因可能包括集電極-發(fā)射極間過壓、器件過流等。

4、過溫

芯片表面出現鋁層熔化、bonding線燒熔、芯片底部焊錫溢出等現象。原因可能是開關頻率異常增大、開關時間過長、散熱不良引起的導通損耗增加、開關損耗增加、接觸面熱阻增大、外殼溫度上升等。

5、功率循環(huán)、熱循環(huán)疲勞

出現bonding線脫落的現象，是由于熱膨脹系數不同而產生的應力，導致鋁線剝落。熱循環(huán)疲勞也會使位于底板和絕緣基片間的焊接層破裂。

以上就是對失效分析過程簡單介紹的所有內容啦。