功率半導(dǎo)體器件失效，指的是器件功能完全或部分喪失、參數(shù)發(fā)生顯著漂移，或間歇性出現(xiàn)上述異常狀態(tài)。無論失效是否可逆，一旦發(fā)生，該器件在實(shí)際應(yīng)用中便不再具備使用條件，必須予以更換或廢棄。

失效模式，是失效所呈現(xiàn)的具體形式、狀態(tài)與現(xiàn)象，是失效在宏觀層面的表現(xiàn)。

不同種類的功率芯片，其失效模式各有差異，常見的有電極間短路、熱燒毀、參數(shù)漂移等。導(dǎo)致器件失效的因素復(fù)雜多樣。外部原因主要包括環(huán)境應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等；內(nèi)部原因則涉及襯底材料、鈍化層材料、器件結(jié)構(gòu)等在物理或化學(xué)層面發(fā)生的變化。這些內(nèi)因是失效發(fā)生的根本所在。通常，我們可以從失效機(jī)理、失效時(shí)間特征、失效后果等維度對(duì)功率器件失效進(jìn)行分類。

一、按失效機(jī)理分類

根據(jù)失效產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制，可將功率芯片失效分為結(jié)構(gòu)性失效、熱失效、電失效和腐蝕性失效等類型。

1. 結(jié)構(gòu)性失效

指功率芯片或模塊中的結(jié)構(gòu)部件因材料本身問題、襯底損傷、蠕變等原因?qū)е碌氖?，常見表現(xiàn)有疲勞斷裂、磨損、結(jié)構(gòu)變形等。此類失效主要與結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械特性及所受機(jī)械應(yīng)力有關(guān)，有時(shí)也與熱應(yīng)力、電應(yīng)力存在耦合關(guān)系。

2. 熱失效

由于器件過熱或溫度劇烈波動(dòng)引發(fā)的燒毀、金屬熔融、材料遷移或斷裂等失效現(xiàn)象。熱失效主要由熱應(yīng)力引起，對(duì)功率模塊而言，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基板材料選擇、焊接工藝等也會(huì)顯著影響其熱可靠性。

3. 電失效

因電流過載、電壓擊穿或長期電應(yīng)力作用導(dǎo)致的器件燒毀、熔融、參數(shù)漂移或性能退化。電失效的直接誘因是電應(yīng)力，但其背后往往與芯片內(nèi)部缺陷、封裝工藝不良等因素密切相關(guān)。

4. 腐蝕性失效

器件受化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕作用，或封裝材料老化、變質(zhì)所引起的失效。此類失效通常與酸堿等腐蝕性物質(zhì)的侵入或殘留有關(guān)，環(huán)境溫濕度、外加電壓等因素也會(huì)加速腐蝕過程。

二、按失效時(shí)間特征分類

根據(jù)失效發(fā)生的時(shí)間規(guī)律，可將功率器件失效分為早期失效、偶然失效和耗損失效。

1. 早期失效主要由芯片內(nèi)部缺陷、封裝材料缺陷或制造過程中引入的瑕疵導(dǎo)致。

這一階段的失效率通常較高，但可通過可靠性測(cè)試或老化篩選等手段將有缺陷的產(chǎn)品剔除，從而使后期失效率顯著降低并趨于穩(wěn)定。工程實(shí)踐中，必須準(zhǔn)確定位導(dǎo)致早期失效的缺陷類型及其產(chǎn)生路徑，并采取針對(duì)性控制措施。

2. 偶然失效

由隨機(jī)事件引發(fā)的失效，發(fā)生概率較低且難以預(yù)測(cè)。其誘因可能包括設(shè)計(jì)裕量不足、潛在工藝缺陷、突發(fā)性應(yīng)力事件或人為操作失誤等。要減少偶然失效，同樣需要深入分析失效根源。

3. 耗損失效

因長期工作或惡劣環(huán)境導(dǎo)致器件性能發(fā)生不可逆退化而引發(fā)的失效。進(jìn)入耗損期后，產(chǎn)品失效率會(huì)迅速上升。常見原因包括原子/離子遷移、界面態(tài)變化、熱電效應(yīng)、電化學(xué)腐蝕、材料磨損、疲勞斷裂等。

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三、按失效后果分類

根據(jù)失效對(duì)器件性能的影響方式，可分為參數(shù)漂移、退化失效、功能失效和間歇失效等類型。

金鑒實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，利用物理和化學(xué)的分析手段，從宏觀和微觀分析出失效原因，并為客戶提出改善方向。

1. 參數(shù)漂移

指器件的閾值電壓、漏電流、導(dǎo)通電阻等關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生超出規(guī)定范圍的偏移，導(dǎo)致器件無法滿足應(yīng)用要求。

2. 退化失效

器件的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)隨時(shí)間逐漸劣化，最終超出規(guī)范范圍。這是一個(gè)漸變過程，可能由長期應(yīng)力作用、材料界面互擴(kuò)散、電化學(xué)腐蝕、電遷移等因素引起。

3. 功能失效

器件部分或全部功能喪失，無法完成既定操作?？赡苡蛇^應(yīng)力沖擊、性能的突然退化、腐蝕等原因?qū)е隆?/p>

4. 間歇失效

器件在測(cè)試或使用過程中出現(xiàn)性能時(shí)好時(shí)壞的不穩(wěn)定現(xiàn)象?？赡茉虬x子污染、金屬間化合物的不穩(wěn)定性、應(yīng)力導(dǎo)致的缺陷活動(dòng)等。

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四、案例分析

存在缺陷或性能不佳的半導(dǎo)體器件通常會(huì)表現(xiàn)出異常的局部功耗分布，最終會(huì)導(dǎo)致局部溫度增高。顯微紅外熱點(diǎn)定位系統(tǒng)利用新型高分辨率微觀缺陷定位技術(shù)進(jìn)行熱點(diǎn)鎖定(lock in) ，可快速而準(zhǔn)確地探測(cè)細(xì)微缺陷（異常點(diǎn)）位置。對(duì)熱點(diǎn)進(jìn)行FIB切割分析后，可以觀察到此發(fā)熱點(diǎn)金屬化薄膜鋁條被熔斷