半導體分立器件的失效分析及預防措施

夏遠飛，劉 勇

（空軍第一航空學院，河南 信陽 464000）

0 引 言

隨著電子技術的快速發(fā)展，功率器件呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。功率器件是指可以控制高達100A的電流或是1200V的電壓而未發(fā)生損傷和毀壞的半導體分立器件，這些大功率半導體分立器件在新型飛機上得到了廣泛的應用。然而，在飛機電源系統(tǒng)諧波、無功、不平衡、電壓浪涌和尖峰電壓等過度電性應力的影響下，大功率半導體分立器件的工作性能和使用壽命受到了嚴重的威脅，已經(jīng)發(fā)生多起嚴重的問題，影響了作戰(zhàn)訓練和飛行安全。如何更好地提高大功率半導體分立器件的可靠性與抗過度電性應力能力，是對大功率半導體分立器件乃至整個飛機電源系統(tǒng)非常重要的問題。本文通過以國產(chǎn)ZL20螺栓形整流二極管為例，建立整流二極管基本失效率模型，揭示半導體分立器件性能和可靠性的主要影響因素，并提出預防半導體分立器件失效的措施[1-4]。

1 整流二極管基本失效率模型的建立

1.1 理論分析

整流二極管失效模式主要有電參數(shù)漂移、開路、短路和間歇性失控等。其中最常見的失效模式是高壓擊穿短路和熱應力裂紋開路。導致整流二極管高壓擊穿短路的因素很多：在生產(chǎn)制造工藝方面，制作臺斜面角度不可能完全平整一致，缺陷處將造成在斜面上的PN結(jié)耗盡層的局部電場畸變，耗盡層局部電場集中變強，導致局部漏電或擊穿電壓下降，在制作臺斜面存在的缺陷處會發(fā)生局部擊穿失效；在電應力方面，由于飛機電源系統(tǒng)中存在有大量的大功率電感性負載，在大功率電感性負載斷開瞬間，電源系統(tǒng)不可避免的要產(chǎn)生浪涌和尖峰電壓，產(chǎn)生的浪涌和尖峰電壓最高可達到2 000多伏，導致整流二極管擊穿短路。由于采用單晶硅晶體材料，單晶硅具有金剛石晶格，晶體硬而脆。在工作過程中由于溫度的劇烈變化，硅片在熱應力作用下易于開裂與脆斷，從而導致整流二極管裂紋開路。所以，對整流二極管，一般認為工作電壓和溫度是加速整流二極管失效的兩個重要應力。本文針對整流二極管的失效模式，重點考慮工作電壓和溫度對整流二極管失效率的影響，來建立整流二極管的基本失效率模型[5-6]。

整流二極管失效與工作電壓的大小密切相關，工作電壓越高，壽命越短；在相同溫度條件下，整流二極管的壽命與工作電壓的關系基本遵從電應力為加速變量的加速模型：

式中：Q——整流二極管的壽命；

U——工作電壓；

K（T）——溫度的函數(shù)；

C——常數(shù)。

式（1）兩邊取對數(shù)，則

式（2）說明整流二極管的壽命Q（失效時間）與工作電壓U在雙對數(shù)坐標系上成線性關系。而在偶然失效期，可以認為整流二極管的失效服從指數(shù)分布，故有

由式（1）和式（3）可得

式（4）即為整流二極管的基本失效率模型。在雙對數(shù)坐標系上，整流二極管失效率與工作電壓也為線性關系[7-8]。

1.2 加速壽命試驗

為驗證式（2）和式（4）的正確性并確定公式中的待定系數(shù)，擬定表1所示的試驗方案。取298，353，393K 3種溫度加速應力，在298K溫度應力下取1.0，1.5，2.0，2.5c 4 種工作電壓應力，在 353，393K 溫度應力下分別取 1.5，2.0，2.5 c 3 種工作電壓應力，共10種應力水平，每個應力水平選5只樣品，共50只樣品。試驗樣品為國產(chǎn)ZL20ZP系列螺栓形整流二極管[9]。

1.3 試驗數(shù)據(jù)整理

根據(jù)國產(chǎn)ZL20螺栓形整流二極管技術規(guī)范的規(guī)定，最大反向電流大于20mA判為失效，試驗結(jié)果見表2。分別取ZL20ZP系列成品為螺栓形整流二極管在298，353，393K溫度條件下，不同電壓應力水平下的壽命平均值在雙對數(shù)坐標系上作出曲線圖，見圖1。從加速曲線中，即可定出參數(shù)K（T）、常數(shù)C在298，353，393 K溫度條件下的代數(shù)值，結(jié)果見表3。

表1 ZL20ZP系列螺栓形整流二極管加速壽命試驗方案

1.4 參數(shù) K（T）的確定

由式（1）可知，當電應力U=1c時，有

在加速壽命試驗中用溫度作為加速應力是常用的方法，因為高溫能使電子元器件內(nèi)部加快化學反應，促使元器件提前失效。通常認為，溫度應力對產(chǎn)品失效的加速作用遵從Arrhenius方程[10]：

表2 ZL20螺栓形整流二極管加速壽命試驗數(shù)據(jù)

表3 參數(shù)K（T）、C數(shù)據(jù)匯總表

圖1 ZL20螺栓形整流二極管電應力加速壽命曲線

式中：dM/dt——化學反應速率；

M——狀態(tài)特征量；

E——引起失效或退化過程的激活能，激活能與器件的失效模式和失效機理有關；

k——波爾茲曼常數(shù)；

T——熱力學溫度；

A0——常數(shù)。

試驗表明，ZL20螺栓形整流二極管狀態(tài)特征量M隨時間而蛻變，t=0時為M0，t=Q時為MQ。若t=Q時，ZL20螺栓形整流二極管失效，則Q就是ZL20螺栓形整流二極管的壽命。若溫度T與時間t無關，對式（6）兩邊積分，則

式（7）說明在電應力固定的條件下，ZL20螺栓形整流二極管的壽命（失效時間）與溫度的倒數(shù)在單對數(shù)坐標系上呈線性關系。因此，Q=1/K（T）（數(shù)據(jù)見表3）在單對數(shù)坐標系作出加速曲線如圖2所示。從加速曲線中，即可定出方程K（T）的系數(shù)a=-1.26和b=3106。

因此，ZL20螺栓形整流二極管基本失效率模型可表示為

式中：a，b，C——常數(shù)。

2 主要失效原因

2.1 器件本身存在的缺陷導致失效

器件本身存在的缺陷有焊料空洞、表面裂紋、金屬化電遷移、氧化層缺陷、金屬化不良、半導體材料缺陷和表面沾污等，其中最常見的是焊料空洞。整流二極管在工作中產(chǎn)生的熱主要是沿著管體向下傳遞，當熱傳遞到芯片/焊料界面時，如果界面接觸良好，熱將直接傳到散熱片上，散熱片將熱量散發(fā)出去，從而達到散熱目的。器件生產(chǎn)過程中由于工藝原因在焊料內(nèi)會形成空洞，因空氣的導熱系數(shù)很低，是熱的不良導體，將會造成器件散熱不良，熱集中將使此局部區(qū)域溫度升高。空洞中氣體的存在會在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生收縮和膨脹的應力作用，空洞存在的地方便會成為應力集中點，由于熱應力持續(xù)不斷地增大，經(jīng)過一段時間的擴展，裂紋朝器件內(nèi)部延伸，最終出現(xiàn)宏觀裂紋，這是產(chǎn)生應力裂紋的根本原因。熱集中又加劇了裂紋的進一步擴展并導致整流二極管短路，在大電流的沖擊下最終導致器件發(fā)生致命的失效。

圖2 ZL20螺栓形整流二極管熱應力加速壽命曲線

2.2 使用不當導致失效

在元器件的使用過程中，因使用不當或選擇不當造成的失效占元器件總失效比例的50%以上，主要包括：

（1）應用電路設計不合理導致器件在使用過程中存在過流、過壓和過功率等現(xiàn)象。

（2）應用系統(tǒng)中存在有大功率電感性負載，由于缺乏保護措施導致器件失效。

（3）使用過程中未采取嚴格的防靜電措施。

（4）設計人員對使用條件缺乏足夠的了解，使所選用的元器件不符合使用要求或在超應力條件下長期使用而導致器件失效。

3 預防措施

試驗表明，整流二極管失效與工作電壓的高低密切相關，工作電壓越高，壽命越短。在飛機供電系統(tǒng)中感性用電設備就有數(shù)百個，并且多數(shù)的感性負載工作在短時重復的斷續(xù)工作狀態(tài)，電感性負載在脫離電網(wǎng)瞬間所產(chǎn)生的尖峰電壓，對半導體分立器件最具破壞性。為了避免尖峰電壓所形成的過電應力擊穿半導體分立器件，可以采用兩種方法：（1）在產(chǎn)生較高尖峰電壓設備的出口處，采用削峰措施，將尖峰電壓限制在自身電路中，防止尖峰電壓串入配電網(wǎng)絡；（2）在半導體分立器件相對集中的電源入口處增加吸收尖峰電壓的裝置，防止配電系統(tǒng)中的尖峰電壓串入電子設備。削峰和吸收尖峰電壓措施的原理框圖如圖3所示。

圖3 削峰和吸收尖峰電壓措施的原理框圖

4 結(jié)束語

通過對ZL20螺栓形整流二極管失效分析與研究，根據(jù)實驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）導致ZL20螺栓形整流二極管失效的主要因素有電應力、溫度、制造質(zhì)量的控制等級、環(huán)境應力、使用狀態(tài)、性能額定值、結(jié)構(gòu)等因素。其中過電應力和溫度是最關鍵的兩個影響因素[11]。

（2）給出了ZL20螺栓形整流二極管的基本失效率模型，該模型反映了其失效規(guī)律。需要說明的是，大多數(shù)半導體硅器件采用半導體平面工藝，許多失效機理和模式是相似的，以ZL20螺栓形整流二極管為例建立的基本失效率模型和研究思路對研究其他半導體分立器件具有一定的指導意義，但因半導體分立器件門類繁多，結(jié)構(gòu)和功能不同，其失效模式和機理又有各自的特點。另外由于時間、資金、試驗條件等方面的限制，所建模型還不夠完善，模型中的參數(shù)也有待進一步驗證和修正。

（3）本論文提出的預防措施已成功應用于某型飛機電源系統(tǒng)中，為改善飛機電源系統(tǒng)供電品質(zhì)和半導體分立器件可靠性的提高做出貢獻。

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