可靠性失效机理分析-IC器件与功率器件

1.IC类器件失效机理分析

1.1 IC类器件失效类型

1.2 BJA焊球不同应力下的失效特征

正弦振动

随机振动

热循环

热振组合

1.3铜丝键合在实际应用中的失效分析-案例1

• 铜丝键失效机理：外键合点氯腐蚀、金属间化合物氯腐蚀、电偶腐蚀、键合弹坑、封装缺陷。
• 外键合点腐蚀过程：环境湿度/污染→塑料外壳中的Cl元素→铜丝氧化Cu2O→腐蚀反应CuCl→阻抗增加/开路失效；

现场使用一段时间后电源和地之间短路失效，通过CT 断层扫描重构出内部键合引线，键合引线间距非常小，怀疑失效与键合引线间距偏小有关，切片结果显示，键合丝之间塑封料已过热炭化。

铜丝外键合点楔形键合腐蚀图和腐蚀形貌

键合丝间距过小引起的失效

1.3 铜丝键合在实际应用中的失效分析-案例2

在铜丝键合工艺中，通常会调整工艺窗口以适合不同芯片的键合需要，但工艺调整不当时，会发生键合弹坑现象（例：键合的力较大），导致键合强度和介质绝缘性下降等，在应用时加电应力或者温度应力下可以加速失效。

分析方法：通过化学开封和键合拉力测试分析，部分键合丝拉力为0N，脱离界面伴随着介质层和硅层损伤，呈现典型的“弹坑”形貌。

铜丝键合弹坑失效

失效机理：铜发生了迁移和再沉积，IMC 界面存在含氯的化合物；

铜铝键合IMC的腐蚀失效

1.3铜丝键合在实际应用中的失效分析-案例3

• 铜铝界面在吸湿环境时会形成电偶 ( 接触) 腐蚀，也称之为原电池腐蚀，最终引起铝层氧化，键合强度降低。

铜铝键合的电偶腐蚀失效-ab

铜铝键合的电偶腐蚀失效-c

2.功率器件类失效机理分析

2.1功率器件的失效类型

2.2 SiC MOSFET短路失效分析-案例1

短路失效模式：

• （1）D-S 短路：源极铝融化、JFET 区栅氧层击穿、寄生 NPN 晶体管导通。
• （2）G-S 短路：栅氧层击穿、栅极上方氧化层断裂

失效机理：SiC MOSFET 即使承受 1us 以内的短路应力，其电学特性也会发生退化。短路时间越长、重复次数越多，SiC MOSFET的退化现象也越明显。目前，对于 SiC MOSFET 短路退化机理的解释主要为键合线的老化以及栅氧层的退化。

SIC MOSFET失效分析

2.3 SiC MOSFET短路失效分析-案例2

（1）失效机理

MOSFET栅极多晶硅、电介质夹层和源极铝金属的材料之间存在热膨胀系数差异，在短路过程中由于高压大电流在短时间内产生大量热量，造成碳化硅 MOSFET 的结温快速上升，最终高温带来的热机械应力导致了器件的栅极电介质夹层形变，并产生裂纹。

栅源极短路后的元胞截面图

（2）短路耐受时间/临界短路能量-敏感度参数

• UGS的变化程度为9.86%，而在本文提出的判定方法(LCDM)下 UGSS的变化程度高达99.98%，LCDM 的参数灵敏度相较VWDM 提高了7倍以上。

短路实验波形图-a

短路实验波形图-b

（3）短路状态判断

短路后状态判断示意图

参考资料：文献类