Способы отказа полупроводниковых устройств в камере для ускоренного старения при высоком напряжении HAST

Вот основные параметры HAST (High Accelerated Stress Test, Тест на высокоскоростной стресс):

В камере для высокоскоростного ускоренного тестирования на прочные свойства (HAST, High Accelerated Stress Test) при высоковольтном ускоренном старении основным механизмом отказа полупроводниковых устройств является совокупное действие экстремальных условий окружающей среды, таких как высокая температура, высокая влажность и высокое напряжение, которые приводят к старению и повреждению внутренних материалов и конструкций устройств. Ниже приведены некоторые распространенные способы отказа полупроводниковых устройств:

1. Металлическое миграция и электромиграция

Электромиграция обусловлена тем, что при работе полупроводниковых устройств под высоким напряжением ток, проходящий через металлические провода, может вызвать миграцию атомов металла, в результате чего могут произойти повреждения или короткие замыкания металлических проводов. Это явление обычно наблюдается при высокой плотности тока или при длительной работе, а в рамках тестирования HAST электромиграция усугубляется.

Последствия отказа:, разрыв провода, отсоединение металлического слоя, короткого замыкания и т.д.

2. Отказ пайовых соединений

Пайовые соединения склонны к старению и повреждениям в условиях высокой температуры и влажности, особенно из-за расширения, сжатия и коррозии пайочных материалов, вызванных высокими температурами и влажностью.

Последствия отказа: Разрыв пайной точки, холодное пайка, виртуальное пайка или отслоение пайового слоя, что приводит к плохому соединению или даже короткому замыканию.

3. Старение и отслоение материалов

В условиях высокой влажности и температуры упаковочные материалы для полупроводниковых устройств, таких как эпоксидное смола и силикон, легко подвергаются воздействию влаги, что приводит к старению, трещинам или отслоению. Такая ситуация часто возникает при неполной упаковке или низком качестве материала.

Последствия отказа: Трещины, отслоение, утечка воды или проникновение проводящих веществ в упаковочном материале, что приводит к снижению электрических характеристик или даже короткому замыканию.

4. Электрический перегруз и разрыв

Условия высокого напряжения и высокой температуры могут усиливать силу внутреннего электрического поля в полупроводниковых устройствах, что может привести к электрическому разрыву, особенно в случаях, когда изоляционный эффект недостаточен. Особенно в условиях высокой влажности влага может понизить изоляционный эффект и ускорить разрыв.

Показания отказа: разрыв изоляционного слоя, что приводит к утечке тока, короткому замыканию или полному отказу устройства.

5. Коррозия, вызванная влагой

При испытании HAST сочетание влаги и загрязнителей в воздухе (например, хлориды, сульфиды и т.д.) может вызвать коррозию поверхностного металла полупроводниковых устройств, особенно на поверхностях контактных терминалов и печатных плат.

Показания отказа: плохой контакт, вызванный коррозией, увеличение сопротивления и ухудшение производительности.

6. Механический отказ, вызванный термическим напряжением

Высокая температура и влага могут вызвать расширение и сужение материалов полупроводниковых устройств, особенно когда коэффициенты расширения между различными материалами не совпадают, что может привести к концентрации напряжений, в результате чего образуются трещины, разрывы или другие механические отказы устройства.

Последствия отказа: трещины, разрывы, трещины упаковки, плохой контакт металлов и т.д.

7. Накопление заряда и паразитные эффекты

В условиях высокой температуры и влажности зарядовые несутчики внутри полупроводниковых устройств могут накапливаться, что приводит к изменениям паразитной емкости или индуктивности. Этот накопительный эффект может повлиять на нормальную работу устройства, особенно в высокочастотных схемах.

Последствия отказа: значительное ухудшение переключательных характеристик, частотной характеристики и электрических свойств устройства, что приводит к отказу схемы.

8. Потенциал-приводимая аттенуация (PID)

Этот феномен более распространен в полупроводниковых устройствах фотоэлектрических модулей, но он также может быть применим к другим полупроводниковым устройствам. Высокое напряжение и влага могут вызвать потенциал-приводимое ухудшение (PID) оборудования, особенно когда между металлическими и кремниевыми материалами образуется разница потенциалов, что может ускорить старение или ухудшение производительности.

Поведение отказа: эффективность оборудования снижается, напряжение на холостом контакте и ток короткого замыкания уменьшаются, что приводит к значительному ухудшению производительности.

9. Тепловой отказ и перегруз по температуре

При испытаниях в условиях высокой температуры и влажности (HAST) длительное нахождение в высокотемпературной среде может привести к перегреву полупроводниковых устройств из-за плохой теплоотводимости или накопления тепла внутри, что в свою очередь вызывает тепловой отказ. Особенно в мощных полупроводниковых устройствах чрезмерно высокие рабочие температуры могут привести к повреждению транзисторов или диодов.

Поведение отказа: мертвая зона, короткое замыкание, повреждение или неисправность функционала из-за перегрева.

10. Окислительные и электролитические реакции

Высокая влажность и высокое напряжение усиливают окислительную реакцию на поверхности металла. Особенно в отсутствие эффективного герметизации могут произойти окислительные или электролитические реакции на поверхности электродов, влияющие на электрические соединения и проводимость.

Поведение отказа: образование оксида на поверхности, отбой электродов, увеличение сопротивления и даже короткое замыкание.

Заключение:

В камере для ускоренного старения под высоким напряжением HAST основной причиной отказа полупроводниковых устройств является совокупное действие нескольких окружающих факторов, особенно совокупное действие высокой температуры, высокой влажности и напряжения. Анализ этих режимов отказа позволяет получить важные рекомендации для проектирования, упаковки и выбора материалов полупроводниковых устройств, а также способствует повышению их надежности и долговременной стабильности.