关于半导体器件可靠性的详解；

【博主简介】本人“爱在七夕时”，系一名半导体行业质量管理从业者，旨在业余时间不定期的分享半导体行业中的：产品质量、失效分析、可靠性分析和产品基础应用等相关知识。常言：真知不问出处，所分享的内容如有雷同或是不当之处，还请大家海涵。当前在各网络平台上均以此昵称为ID跟大家一起交流学习！

我曾是一名从事第三代半导体行业的产品质量管理从业者，所以一直深耕于半导体产品的质量把控工作，特别是现在的碳化硅(SIC)材料领域，我也一直在跟许多的同道中人探讨和学习不同半导体器件的可靠性，从而不断加深对可靠性的认识和理解。

本篇针对性的对半导体激光器进行可靠性探讨，所有半导体器件在可靠性方面都有共性，激光器的失效模式对其它半导体器件的机制分析方面，笔者认为都是可以借鉴的。

一、 半导体器件可靠性的定义

半导体器件在完成封装后，为了全面评估其长期稳定性和质量，必须进行一系列可靠性测试。这些测试旨在模拟器件在实际工作环境中可能遇到的各种极端条件，以确保其能在规定的时间内和规定的条件下，无故障地完成规定的功能。

1、可靠性包含的层面

固有可靠性 ：由器件材料、设计、制造工艺等内在因素决定，反映器件本身的稳定性和抗干扰能力；

使用可靠性 ：指封装后的组件在特定使用环境和时间内的实际运行稳定性，受环境应力、使用条件等外在因素影响。

2、关键衡量指标

故障率 ：单位时间内发生故障的频率，常用百万小时故障数（MTTF）表示；

平均故障间隔时间（MTBF） ：两次故障之间的平均时间，反映设备可靠性的直接指标；

可靠度 ：在特定条件下无故障运行的概率，通常通过数学模型预测；

失效率 ：单位时间内失效部件的数量，与故障率相关。

二、影响半导体可靠性的因素

1、材料特性：半导体材料的纯度、晶体结构等直接影响器件的性能和寿命。

2、制造工艺：如光刻、蚀刻、掺杂等工艺的精度和一致性对可靠性至关重要。

3、工作环境：温度、湿度、辐射、机械应力等外部条件会加速器件的老化和失效。

4、设计缺陷：电路设计不合理或器件结构缺陷可能导致早期失效。

三、器件失效的不同阶段及可能原因

如果要给器件的失效率随时间的变化分为不同阶段来探讨，我们一般可以分为3个阶段，一个是早期失效阶段、一个是偶然失效阶段、一个是损耗失效阶段。

早期失效阶段是失效率随时间增加迅速下降，这是产品早期缺陷迅速表现出的结果，引起早期失效的主要原因如芯片工艺缺陷、外延致命缺陷、封装工艺等，这个通过早期的筛选可以去除。

偶然失效可以理解为产品的失效主要来自偶然因素，且该阶段是产品的主要使用寿命期。

损耗失效的特点主要为失效率随着工作时间的增加而迅速上升，主要原因为芯片制造以及封装工艺水平限制，器件长期工作因老化、疲劳等到寿命终结。

四、 可靠性常见的失效模式

下面还是以半导体激光器为主要讨论对象，阐述几种常见的失效模式：

1、 电极退化

高功率半导体激光器的工作电流大，焊料层随电流方向扩散到半导体材料，会形成暗点缺陷，在大电流下形成局部热量积累，电极铜片被烧毁，造成激光器灾难性的失效。

半导体激光芯片材料与热沉材料的热匹配性差，焊接温度应力引起焊层内部缺陷或开裂，导致器件电极退化。

焊料制备中焊料的均匀性和焊料厚度的控制也是关键工艺。

2、 腔面退化

腔面退化是半导体激光器区别于其他微电子器件的主要失效模式。

大输出功率下，腔面作为谐振腔的出光面，承受很高的功率密度。特别是，大功率器件的前后输出功率密度在每平方米可以达到数百万瓦，因有源区材料含有铝或铟，铝或铟在高功率密度下融化或者再结晶，导致腔面破坏。

腔面灾害性损伤是由于芯片前后腔面所镀的透射膜和高反射膜的工艺控制缺陷所致，在高功率密度作用下发生炭化或者化学腐蚀损失，最终引起芯片失效。

腔面的另一种退化方式为可视光学损伤，主要原因为焊接过程中焊料污染等。

3、 芯片侧面绝缘层失效

由于芯片两端未镀介质膜或者介质膜镀的不好，使得焊料沿着端面浸润到N极，引起芯片短路而失效。

4、 芯片内部缺陷扩展

如激活区的非辐射复合将通过晶格释放能量，一旦这些晶格位错包含点缺陷或者线缺陷会沿着晶面生长、攀移、滑移等进入芯片激光区，造成芯片失效。

5、 其它外部因素

激光器工作环境的外部因素，如静电、水汽污染等。

五、半导体器件可靠性测试的方法

1、高温存储寿命测试（HTSL）

在150℃的储存箱中不通电存储，分别在168h、500h、1000h后进行通电测试，并与常温下的特性值进行比较。

2、高温反偏测试（HTRB/GB）

在150℃、80%湿度的条件下，对功率器件的基极或门极加载反偏电压，持续一段时间后读取电特性值。

3、高温工作寿命测试（HTOL）

在125℃的储存箱内，对器件施加规范内的最高和正常工作电压，持续一段时间后读取电特性值。

4、高温、高湿度电测（THBT）

在85℃、85%湿度的条件下，施加最小工作电压，持续一段时间后读取电特性值。

5、温度循环试验

在-65℃至150℃或-55℃至150℃的温度范围内进行循环，读取特定循环次数后的电特性值。

6、压力锅试验（PCT）

将测试元器件封装体放入121℃的水容器中施加压力，持续一段时间后读取电特性值。

7、高温加速应力试验（HAST）

在130℃、85%湿度的条件下，施加压力和反偏电压，持续一段时间后读取电特性值。该测试条件严苛，常用于快速检验产品可靠性。

8、晶须生长测试（Whisker Growth Test）

目的：评估封装体引脚电镀层金属须的生长情况，以防止因晶须导致的短路或断路故障。

测试条件：通常将器件置于高温高湿环境中（如烘箱），持续数月至一年，以加速晶须的生长过程。

应用：特别适用于引脚间距小或电流密度大的功率器件。

9、离子迁移测试（Ionic Migration Test）

目的：评估在电场作用下，封装体内离子迁移导致的电性能变化或失效。

测试条件：施加一定的电压和湿度条件，观察电特性随时间的变化。

应用：适用于含有易迁移离子的封装材料或结构。

10、气密性测试（Hermeticity Test）

目的：评估封装体的气密性能，以防止外部湿气、污染物等侵入导致失效。

测试方法：采用氦质谱检漏仪等方法检测封装体内的漏气情况。

应用：特别适用于对气密性要求高的封装结构，如气密封装。

11、热机械应力测试（Thermomechanical Stress Test）

目的：评估封装体在热机械应力作用下的变形、开裂等失效情况。

测试条件：施加一定的温度变化和机械应力，观察封装体的响应。

应用：适用于评估封装体的热机械稳定性和可靠性。

总结一下

本公众号里有分享过多篇关于器件可靠性和半导体行业的相关文章，从光电器件到功率器件，从深紫外器件到激光器器件，所有这些都是为了从不同角度去观察可靠性问题，也只用攻克这些问题，才能真正的实现产业化发展。产品最终是要来用的，没有更好的可靠性，就无法去谈较好的产品稳定性。因此，关于可靠性的话题，再怎么多都不会觉得多。

而关于可靠性，一定要系统的、高屋建瓴的去思考这个问题，然后深入到不同体系，融会贯通，最终实现有尊严的产品，产品就是企业的尊严。所以希望在此多认识一些从事同行业的朋友们，我们一起多多交流学习哦！

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审核编辑 黄宇