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浅谈一下失效分析

6 天前  262 失效分析 电子元器件 IGBT
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以IGBT、MOSFET为主的电力电子器件通常具有十分广泛的应用,但广泛的应用场景也意味着可能会出现各种各样令人头疼的失效情况,进而导致机械设备发生故障!
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因此,正确分析电力电子器件的失效情况,对于提高电力电子器件的应用可靠性显得尤为重要。

一、失效分析简介
失效分析的过程一般是指根据失效模式和现象,通过分析和验证,模拟重现失效的现象,找出失效的原因,挖掘出失效的机理的过程。

器件失效是指其功能完全或部分丧失、参数漂移,或间歇性出现以上情况。失效模式是产品失效的外在宏观表现,有开路、短路、时开时断、功能异常、参数漂移等。按照失效机理,失效可分为结构性失效、热失效、电失效、腐蚀失效等。

1、结构性失效

指产品的结构由于材料损伤或蜕变而造成的失效,如疲劳断裂、磨损、变形等。主要由结构材料特性及受到的机械应力造成,有时候也和热应力和电应力有关。

2、热失效

指产品由于过热或急剧温度变化而导致的烧毁、熔融、蒸发、迁移、断裂等失效。主要由热应力造成,往往也与产品的结构设计、材料选择有关。

3、电失效

产品由于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。主要由电应力造成,但与材料缺陷、结构密切相关。

4、腐蚀性失效

指产品受到化学腐蚀、电化学腐蚀,或材料出现老化、变质而造成的失效。主要由腐蚀性物质(如酸、碱等)的侵入或残留造成,也与外部的温度、湿度、电压等因素有关。

通过确认失效模式、分析失效机理,明确失效原因,最终给出预防对策,可以减少或避免失效的再次发生。失效分析对产品的生产和使用都具有重要的意义。

二、失效分析流程
失效分析的原则是先进行非破坏性分析,后进行破坏性分析;先外部分析,后内部(解剖)分析;先调查了解与失效有关的情况(应用条件、失效现象等),后分析失效器件。
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三、失效分析常用技术
在开展失效分析时,一定是和相应的技术手段和设备手段密不可分的。常用技术手段分为以下几类:

1、电气测试技术

对失效现象、失效模式进行确认,以及在失效激发及验证试验前后的电性能测试。例如在进行芯片损伤外观鉴定之前,可进行IV测试,得到损伤器件的静态特性参数,初步确定失效情况;

2、显微形貌和显微结构分析技术

在微米和纳米尺度对元器件进行观察和分析,以发现器件内部的失效现象和区域。显微形貌分析技术包括光学显微(OM)分析、扫描电子显微(SEM)分析、透射电子显微(TEM)分析等。显微结构分析技术包括以X射线显微透视、扫描声学显微(SAM)探测为代表的无损显微结构探测技术。

3、物理性能探测技术

对器件在特定状态下激发产生的微量光热磁等信息进行提取和分析,已确定失效部位、分析失效机理。技术包括电子束测试(EBT)、微光探测、显微红外热像、显微磁感应技术等。

4、微区成分分析技术

用来对内部微小区域的微量成分进行分析。技术包括能量散射谱仪(EDS)、俄歇电子谱法(AES)、二次离子质谱法(SIMS)、X射线光电子谱法(XPS)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、内部气氛分析法(IVA)等。

5、应力验证技术

基本手段如开展透射显微镜(TEM)分析时,就需要采用聚焦离子束(FIB)对器件进行定点取样和提取。有时需要开展一些应力试验来激发失效、复现失效模式或观察在应力条件下失效的变化趋势。

6、解剖制样技术

实现芯片表面和内部的可观察性和可探测性。例如开封技术、半导体芯片表面去钝化和去层间介质、机械剖面制备技术和染色技术等。

四、功率器件常见失效现象
1、过压

集电极-发射极过压时,在芯片周围会出现大范围烧毁的痕迹。原因可能包括关断浪涌电压、母线电压上升、控制信号异常、外部的浪涌电压(雷电浪涌等)等。

栅极-发射极过压时,栅极bonding线或是集成栅极极电阻周围会有烧毁的痕迹。原因可能包括静电、栅极驱动回路异常、栅极震荡、外部浪涌等。

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2、过流

过电流脉冲时,bonding线和发射极交接处会有烧毁的痕迹。原因可能包括过电流保护不工作、串联支路短路、输出短路或输出接地等。

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3、超出反偏安全工作区

芯片正面可看到烧熔的洞。原因可能包括集电极-发射极间过压、器件过流等。

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4、过温

芯片表面出现铝层熔化、bonding线烧熔、芯片底部焊锡溢出等现象。原因可能是开关频率异常增大、开关时间过长、散热不良引起的导通损耗增加、开关损耗增加、接触面热阻增大、外壳温度上升等。

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5、功率循环、热循环疲劳

出现bonding线脱落的现象,是由于热膨胀系数不同而产生的应力,导致铝线剥落。热循环疲劳也会使位于底板和绝缘基片间的焊接层破裂。

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以上就是对失效分析过程简单介绍的所有内容啦。
了解更多有关IGBT的知识,请关注我的公众号“橘子说IGBT”,每周更新,带你由浅及深地了解IGBT。

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