（微电子学与固体电子学专业论文）功率vdmos器件可靠性分析及优化设计.pdf

哈尔滨理_ 丁大学1 二学硕，l - 学位论文 功率v d m o s 器件可靠性分析及优化设计 摘要 随着科学技术的发展，以及宇航、军事工业和国际市场竞争的需要，对产品 的可靠性的要求同益提高。功率v d m o s 器件作为新一代高压大电流功率器件 兼有双极晶体管和普通m o s 器件的优点，广泛应用于各种领域，是国内外半导 体分立器件研究的热点。本文通过温度循环试验和有限元软件模拟对功率 v d m o s 器件进行可靠性研究，研究结果对优化器件设计、提高器件的可靠性具 有指导意义。 本文利用高低温试验箱，对国内外4 种不同型号的功率v d m o s 器件进行 温度循环实验；利用晶体管特性图示仪，对试验前后的器件进行电性能测量和外 观检查；对失效样品进行开封、超声波清洗及显微镜分析。通过研究器件的失效 模式，得到其失效机理。结果表明：热和热应力对器件的可靠性影响很大。粘结 层烧结不良、有空洞会引起热阻增大，导致器件热烧毁；器件各组件热膨胀系数 不匹配，在温度循环过程中会产生热应力，导致芯片开裂、芯片表面产生凹坑、 塑封体开裂和键合引线断裂。 运用a n s y s 有限元模拟软件，建立t o 2 2 0 a b 封装形式功率v d m o s 器 件的三维模型，对温度循环条件下器件的热应力进行模拟分析；对功率耗散条件 下器件的温度场进行模拟分析。结果表明：在温度循环过程中，由于器件各组件 的热膨胀系数不匹配，在其内部会产生热应力和应变，且热应力和应变的最大值 都出现在粘结层与芯片的交界处，易导致粘结层失效；器件工作时产生的热量主 要通过j 占片、粘结层和基板向外传输。 研究粘结层空洞对器件可靠性的影响。结果表明：高应力和应变区域集中在 空洞处，这些区域易发生疲劳损伤而失效，导致芯片与基板的粘结效果变差，散 热性能降低；粘结层空洞处温度较高，易导致芯片形成热斑。 运用a n s y s 有限元模拟软件，对功率v d m o s 器件进行优化设计。研究基 板厚度、粘结层材料及其厚度对器件热和热应力分布的影响。结果表明：基板越 厚，器件的散热效果越好，但热应力随之增大；粘结层越薄、导热系数越大，器 件的散热效果越好、热应力越小。 关键词v d m o s ；可靠性；有限元；优化设计 哈尔滨理工人学工学硕卜学位论文 r e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no f p o w e rv d m o st r a n s i s t o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a sw e l la st h en e e d so fa e r o s p a c e ， m i l i t a r yi n d u s t r ya n dc o m p e t i t i o no ft h e i n t e r n a t i o n a lm a r k e t , t h er e q u i r e m e n to f r e l i a b i l i t yo fp r o d u c t sb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r a san e wg e n e r a t i o no fh i g h - v o l t a g e a n dh i g h - c u r r e n tp o w e rd e v i c e s ，p o w e rv d m o sd e v i c e sh a v eb o t ha d v a n t a g e so f b i p o l a rt r a n s i s t o r sa n dg e n e r a lm o sd e v i c e s ，a r ew i d e l yu s e di nv a r i o u sa r e a sa n d s t u d i e da th o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r , t h ep o w e rv d m o sd e v i c e sa r es t u d i e dv i a t e m p e r a t u r ec y c l i n ge x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r es i m u l a t i o n t h er e s u l t so f t h es t u d yh a v eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o ro p t i m i z i n gt h ed e s i g na n di m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t yo f t h ed e v i c e s i nt h i sp a p e r , t h et e m p e r a t u r e c y c l i n ge x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tf o rf o u rd i f f e r e n t m o d e l so fp o w e rv d m o sd e v i c e s t h em a i np a r a m e t e r so fd e v i c e sa r em e a s u r e db y t r a n s i s t o rc u r v et r a c e r t h e n ，d i s s e c t i n g , c l e a n i n ga n do b s e r v i n gt h ef a i l u r ed e v i c e s w e c a l lo b t a i nt h ef a i l u r em e c h a n i s m st h r o u g hs t u d y i n gt h ef a i l u r em o d e so fd e v i c e s t h e r e s u l t ss h o wt h a th e a ta n dt h e r m a ls t r e s sh a v eag r e a ti m p a c to nt h er e l i a b i l i t yo ft h e d e v i c e s a d h e s i v el a y e rs i n t e r i n gb a da n dh a sc a v i t i e sc a u s e st h ei n c r e a s i n go ft h e r m a l r e s i s t a n c ea n d1 e a dt ot h eb u mo f d e v i c e s b e c a u s et h et h e r m a le x p a n s i o nt o e 伍c i e n t so f t h e c o m p o n e n t s d on o tm a t c h ，t h et h e r m a ls t r e s sw i l lc o m ei n t ob e i n gd u r i n g t e m p e r a t u r ec y c l i n gw h i c hw i l lc a u s ec h i pc r a c k i n g ，a r i s i n gp i t so ni t ss u r f a c e ，m o l d i n g c o m p o u n dc r a c k i n ga n d b o n d e rr u p t u r i n g b a s e do na n s y sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o t b v v a r e ，at h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e li s e s t a b l i s h e df o rp o w e rv d m o sd e v i c ew h o s ep a c k a g et y p ei st o - 2 2 0 a b u n d e rt h e c o n d i t i o no ft e m p e r a t u r e - c y c l i n ga n dp o w e r - d i s s i p a t i o n , t h et h e r m a ls t r e s sa n d t e m p e r a t u r ef i e l do fd e v i c ea r es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , b e c a u s e t h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t so ft h ec o m p o n e n t sd on o tm a t c h , t h et h e n n a ls t r e s s a n ds t r a i nw i l lc o m ei n t ob e i n gd u r i n gt e m p e r a t u r ec y c l i n g h i g hs t r e s sa n ds t r a i nf o c u s i nt h eb o u n d a r yo ft h ec h i pa n dt h ea d h e s i v el a y e rw h i c hw i l lc a u s ea d h e s i v el a y e r - i i o 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 f a i l u r e t h em a i nh e a td i s s i p a t i o np a t hi sf r o mc h i pt os u b s t r a t e t h ei m p a c to ft h eb o n d i n gl a y e rc a v i t i e so nt h er e l i a b i l i t yo ft h ed e v i c ei ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a th i g hs t r e s sa n ds t r a i nc o n c e n t r a t ea tt h ep l a c e so ft h ec a v i t i e s t h e s ea r e a sa r ep r o n et of a t i g u ed a m a g ea n dl o s i n ge f f i c a c y , r e s u l t i n gi nt h eb o n d i n g e f f e c to ft h ec h i pa n dt h es u b s t r a t eb e c o m i n gw o r s ea n dt h eh e a td i s s i p a t i n ge f f i c i e n c y r e d u c i n g t h et e m p e r a t u r ea tt h ep l a c e so ft h ec a v i t i e si sh i 【g hw h i c hi se a s y t of o r mh o t s p o to nt h ec h i p t h ep o w e rv d m o sd e v i c ei so p t i m i z e db ya n s y sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n s o f t w a r e t h ee f f e c t so fs u b s t r a t et h i c k n e s s ，a d h e s i v el a y e rm a t e r i a la n dl a y e rt h i c k n e s s o nt h e r m a ls t r e s sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e t h i c k e rs u b s t r a t et h i c k n e s s ，t h eb e t t e rh e a td i s s i p a t i o ne f f e c t , b u tt h eb i g g e rt h e r m a l s t r e s s t h et h i n n e ra d h e s i v el a y e rt h i c k n e s si st h es m a l l e rt h e r m a ls t r e s sa n dt e m p e r a t u r e i s t h eb i g g e rh e a tc o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n to fa d h e s i v el a y e ri st h es m a l l e rt h e r m a l s t r e s sa n dt e m p e r a t u r ei s k e y w o r d sv d m o s ，r e l i a b i l i t y , f i n i t ee l e m e n t ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n - i i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文功率v d m o s 器件可靠性分析 及优化设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期问独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：华厌 日期：2 0 0 f i 年3 月2 1 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 功率v d m o s 器件可靠性分析及优化设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密， 班年解密后适用授权书。 不保密围。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 聋厌同期：2 0 0 9 年3 月2j 日 导师签名： 日期：2 p 。9 年3 月纠日 哈尔滨理工大学工学硕j 二学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 8 0 年代以来，迅猛发展的超大规模集成电路技术给高压大电流半导体注入 了新的活力，一批新型的功率半导体器件诞生了，其中最具代表性的产品就是 功率v d m o s 器件【1 1 。这种电流垂直流动的双扩散m o s 器件是电压控制型器 件，在合适的栅极电压的控制下，半导体表面反型，形成导电沟道，于是漏极 和源极之间流过适量的电流。v d m o s 兼有双极型晶体管和普通m o s 器件的优 点，与双极型晶体管相比，它的开关速度快、损耗小，输入阻抗高，驱动功率 小，频率特性好，跨导高度线性【2 1 。特别值得指出的是，它具有负的温度系 数，没有双极型晶体管的二次击穿问题，安全工作区大。因此，不论是开关应 用还是线性应用，v d m o s 都是理想的功率器件。目前，v d m o s 器件已广泛应 用于电机调速、逆变器、开关电源、电子开关、高保真音响、汽车电器和电子 镇流器等领域。 随着集成电路技术的飞速发展和电子封装集成度的不断提高，集成电路的 发热量也越来越高。实践证明，元器件的工作温度每升高1 0 。c ，其失效率将增 大一倍左右，称之为1 0 法则 4 ，5 1 。因此，对电子设备而言，即使温度降低 1 ，也将使电子设备的失效率降低一个可观的数量值。作为功率半导体器件 主体之一的功率v d m o s 器件是电子设备中的关键器件，工作在大电流或高电 压下，发热量大，更加易于发生热损伤而造成失效，其热设计的好坏直接影响 系统的可靠性。功率v d m o s 器件工作时所耗散的功率要通过发热的形式散发 出去，若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温 度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全正常工作。所以，功率 v d m o s 器件的热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定 产品的成功与否，功率v d m o s 器件的热设计和散热技术的研究已受到人们的 广泛关注【6 4 】。 1 2 电子器件可靠性研究现状 近些年来，我国在电子器件可靠性研究领域有了长足的发展。复旦大学微 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 电子学系潘少辉等人，采用有限元方法研究了d p a k 封装模式v d m o s 管贴片 工艺中气泡的产生机制及其影响，结果表明，在贴片层中气泡含量提高时，热 阻会急剧增大而降低器件的散热性能，造成电学参数的温度漂移和安全工作区 的缩小。通过可靠性实验，发现气泡含量较大时会造成器件的失效和可靠性降 低【i 们。苏州大学杨震字采用有限元方法模拟了t s o p 封装产品的塑封脱模过 程，研究表明，模具内表面有机物形成的局部玷污可能阻碍芯片的顺利脱模， 导致硅片内产生较大的局部应力并碎裂失效。指出芯片碎裂失效可以通过使用 高弹性模量的塑封料或减小硅片尺寸得以改盏【1 1 】。华南理工大学张鹏等人，通 过v l s i 失效分析，对由于塑封材料和芯片之间热膨胀系数的不匹配，导致在外 界温度变化时的应力释放对芯片造成损伤进行了研究，并且提出了利用环境应 力试验和可靠性分析的方法暴露热膨胀系数不匹配导致芯片损伤的技术【i2 1 。电 子科技大学蒋长顺等人研究了在多芯片组件封装中金刚石基板与硅芯片之间的 热匹配问题，分析了金刚石与硅芯片之间的界面热应力分布。结果表明，在边 界条件和芯片产热功率一定时，不同的基板、芯片面积比和厚度比对结构的温 度分布有很大的影响，是影响层问应力分布的主要因素【1 3 】。汉高华威电子有限 公司谢广超就封装树脂、p k g 分层以及封装树脂与p k g 分层的关系进行分析和 探讨。认为p k g 内部分层是树脂封装的一种普遍现象，可以通过加大填料含 量、添加应力吸收剂来降低封装树脂的应力，也可以通过选择低吸湿性环氧树 脂、加大填料禽量、提高封装树脂的交联反应密度来降低封装树脂的吸湿性， 还可以通过使用对芯片、引线框架、载片等金属材料表面具有良好的粘接性能 的环氧树脂、偶联剂以及粘接剂，选择适当的脱模剂种类，并尽可能减少脱模 剂的使用量，来提高封装树脂的粘接性能，以达到改善p k g 内部分层现象【l 4 1 。 首都师范大学孙建海对f i c 电子封装试件进行了热变形和残余应力分析，掌握 了试件的热变形特征、残余应力的分布规律及其影响作用，找到了试件失效的 一些重要原因【1 5j 。 国外，m i l l e 等人采用实验方法，用p s m i 仪器测量了封装件在热载荷作 用下的变形，并用有限元法计算了封装件的应变【16 1 。w a k i l 等人采用有限元 数值模拟方法，建立了封装件二维有限元分析模型，在模型加载时采用均匀温 度载荷且考虑了功率耗散，分析结果给出了芯片与基板之间粘接层各部位的位 移和温度失配分布曲线【l7 】。d u p o n tl 等人对低压功率m o s 器件进行了高温 条件下失效模式的研究，结果表明，器件的主要失效模式与芯片的连接和钝化 关系密切【18 1 。s h a m m a snya 和t i z i a n ir 等人指出，贴片层中含有气泡 会严重影响器件的质量，可导致接触电阻过大和散热性能变差等，还会降低器 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 件的可靠性，如焊锡的老化、金属间化合物的形成和分层，最终导致芯片破裂 1 9 , 2 0 1 。c h o n g ct 等人指出，引线框架上氧化物或挥发性物质的存在会在贴片 工艺的高温下形成气泡，尤其是c u 金属的引线框架，很容易氧化进而造成气 泡甚至贴片层与基板分层【2 1 1 。t o s i cn 等人对功率v d m o s 器件在高温偏压条 件下的失效过程和失效机理进行了研究，结果表明，源极和漏极通孔处的电迁 移，焊料烧结处的金属间化合及栅极氧化层的击穿是影响器件可靠性的主要失 效模式【2 2 l 。a l w a nm 等人利用二维模拟器，研究了热应力对功率v d m o s 器 件静态和动态特性的影响，结果表明，热应力会引起器件物理特性和电特性的 改变 2 3 1 。b a d i l am 等人的研究表明，对栅极氧化层进行电子辐射会引起器件 开启电压和击穿电压的增大【2 4 1 。 1 3 课题研究目的及意义 通过对功率v d m o s 器件进行温度循环试验分析及有限元模拟分析，了解 器件在不同的工作、环境条件下的失效规律，研究其失效模式及失效机理，以 便采取有效措施，提高产品的可靠性。 目前，v d m o s 等新型功率器件9 0 以上需要进口，虽然近几年我国引进 了部分先进技术，但与国际先进水平相比，在研制和生产能力上还存在较大的 差距，国内外企业技术实力相差较大，国内企j i p 的产品品种和质量与国外先进 企业有很大差距，在国内的分立器件市场中占有市场份额较小。v d m o s 等新 型功率半导体器件占有功率半导体器件市场8 0 的份额，但是国内尚无企业大 规模生产，造成国内下游电子设备制造企业不得不大量进口，国内即使有生产 厂家，也是以外资或合资企业为主。多数功率半导体器件在技术原理上往往已 经提出很多年，都是成熟的理论和技术，国内外企业的差距主要在生产工艺方 面。凶此，国内企业关键要过生产工艺关。但是生产线的搭建、设备的引进、 净化厂房的建设、各环节生产工艺的把握都非易事。而成品率达不到一定要 求，生产线将不能盈利。即使盈利，成品率偏低就造成成本上升，这样，国内 企业将无法依靠成本优势与国外企业展开竞争。 本课题就如何进一步改善和提高功率v d m o s 器件的可靠性水平进行研 究，通过可靠性试验和软件模拟，了解功率v d m o s 器件在不同的工作、环境 条件下的失效规律，摸准失效模式，搞清失效机理，对提高器件的产品质量和 可靠性具有一定的指导意义。 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题来自教育部春晖计划 v d m o s 器件可靠性研究项目，项目编号 为( z 2 0 0 5 2 1 5 0 0 1 ) 。 本课题针对目前国产功率v d m o s 器件成品率低、可靠性差等问题，对国 内外功率v d m o s 器件的可靠性进行研究，以期获得提高国产功率v d m o s 器 件性能和质量的方法。具体研究内容如下： ( 1 ) 对国内外4 种不同型号( i r f 7 3 0 i r f 8 4 0 s w 7 3 0 s w 8 4 0 ) 的功率v d m o s 器件进行温度循环试验，利用晶体管特性图示仪对温度循环试验前后的器件进 行电性能测量，并进行外观检查，研究环境应力对器件性能的影响。 ( 2 ) 根据器件失效判定标准，对经判定失效的器件进行开封及微观形貌观 察，判断失效模式及特征，研究器件的失效机理。 ( 3 ) 运用a n s y s 有限元软件，建立器件模型，对功率v d m o s 器件进行 热应力( 温度循环) 模拟和热模拟，结合试验结果，研究热和热应力对器件的 影响。并研究粘结层空洞对器件可靠性的影响。 ( 4 ) 选择器件的最高温度、最大应力作为状态变量，依次选择基板厚度、 粘结层材料和粘结层厚度作为设计变量，研究基板厚度、粘结层材料及其厚度 对功率v d m o s 器件的散热和热应力的影响，对器件进行优化设训。 晴 ：滨理t 人学t 学碰i 学位论文 第2 章功率v d m o s 器件简介及热力学理论 2 1 功率v d m o s 器件简介 功率v d m o s ( v e r t i c a ld o u b l e d i f f u s e dm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 器件即垂 卣导电金属氧化物半导体场效应晶体管1 2 5 - 2 7 。功率v d m o s 器件足一种电压控 制型多数载流子器件，它将微电子技术和电力电子技术融合起来，成为在 m o s 集成电路工艺基础上发展起来的新一代功率集成化电力开关器件m ”1 。 21 1 功率v d m o s 器件的结构特点 功率v d m o s 器件的结构如图2 - 1 所示，其显著特点是源极与漏极分别做 在芯片的两面，形成垂自导电通道，多个竹胞并联实现人功率。其工艺是在 n + 衬底 晶向 卜长n 。高阻外延层，外延层的厚度及掺杂浓度直接决定 v d m o s 的击穿电压，v d m o s 制作过程是在外延层上采用、卜面白对准双扩散 工艺，以此在水平方向形成im o s 结构相同的多子导电沟道，沟道k 度一般 只角1 - - 2 “m io 立臂糊鼍蓉 削2 iv d m o s 的结杜j 和符号 早期n + 源区与p 体区足t h 扩散形成，近年柬为了精确拧制结深，出虮了 更为先进的离了双注入工艺( d 。u b l e i m p l a n t e d ) 。自对准的多品硅栅用作金属化 哈尔滨理工大学_ 丁学硕士学位论文 的第一层，接出栅极，多晶硅栅有降低钠离子对栅氧化层的玷污作用，改善了 阈值电压的稳定性；而铝作为金属化的第二层，接出源极，源极金属几乎覆盖 整个芯片表面，有利于改善芯片的散热性能；漏极n + 由衬底背金后固定在基 座上接出。 值得注意的是p 体区，它与外延层构成一个反并联的寄生体二极管，并且 源区、体区和外延层组成了一个寄生n p n 管。体二极管代表了v d m o s 的耐 压能力，而寄生三极管一旦触发，将使器件失效，因此p 体区与源极短接，并 在短接处做浓硼离子注入，以减小体区电阻，削弱寄生三极管触发能力【3 2 1 。 2 1 2 功率v d m o s 器件主要技术特点 功率v d m o s 器件是以栅极电压控制负载电流，属于电压控制型器件，具 有驱动功率小的特点。又因是多子器件，无少数载流子存贮效应，所以具有开 关速度快、安全工作区域宽等优点。v d m o s 的准饱和现象是设计器件最大输 出电流的重要因数之一f 3 3 。5 1 。具体的技术特点如下： ( 1 ) 功率v d m o s 器件属于多子器件，也称电压控制器件。它具有m o s 器件的一切优点，如输入阻抗高、驱动电流低；没有少子存储效应，开关速度 快，工作频率高。由于载流子迁移率随温度的上升而减少，使得v d m o s 器件 具有负的温度系数，并有良好的电流自调节能力，可有效地防止电流局部集中 和热点的产生。 ( 2 ) 高输入阻抗和低驱动功率。v d m o s 管是电压控制型器件，其输入阻 抗通常在1 0 1 1 q 以上。般来说，驱动电流在1 0 0 n a 量级，可控制几安到几十安 的电流输出，直流电流增益达1 0 8 - - - 1 0 9 ，功率消耗极小。v d m o s 栅极可直接 与c m o s 、t t l 集成电路和其他高阻器件连接，具有良好的工艺兼容性，使驱 动电路的设计大大简化。 ( 3 ) 开关速度快。v d m o s 管的开关速度比双极型晶体管快得多，由于其 为多子器件，没有尾电流，开关损耗小，不需要存储时间，其开关时间一般为 l 1 0 n s 量级，而双极晶体管在1 s 量级。v d m o s 不仅可以作为开关电源的重 要部件，也可广泛应用于通讯、微波炉等高频领域。 ( 4 ) v d m o s 器件采用“自对准双扩散”工艺，利用同一多晶硅栅进行p 、 n 两次“自对准双扩散，并利用两次扩散的横向扩散差形成沟道长度，这样 大大的提高了单位面积中元胞的密度，有利于大电流性能的实现。 ( 5 ) v d m o s 器件具有比其他m o s 器件更短的沟道( 一般只有1 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 2 a m ) 。通常，短沟道器件在一定的栅源电压下，跨导为常数，线性好，不需 深度负反馈便可实现高保真功率放大，使用性较强。 ( 6 ) v d m o s 器件的工艺过程比普通m o s 器件的工艺过程多一次“光刻多 晶硅”工序，即同一次生长的多晶硅分两次光刻。第一次，光刻内部多晶硅 栅，以此来实现“双扩散”工艺，形成m o s 结构。第二次，光刻边缘多晶 硅，其目的是为了进行终端处理。 f 7 ) v d m o s 器件阈值电压较高，因此具有较高的噪声容限和较强的抗干 扰的能力。 ( 8 ) v d m o s 器件的终端采用场板、分压环、截止环结构。通过一些相应 的终端处理来实现场效应器件的高耐压。 ( 9 ) v d m o s 器件的功率容量直接受到导通电阻r d 。( 。) 的限制。由于它的高 阻漏漂移区不会像高阻集电极区那样产生电导调制效应，所以导通电阻比相应 的双极型功率晶体管的饱和电阻要大得多。这是功率v d m o s 器件的主要缺 点。 ( 1 0 ) 由于器件具有负温度系数，即使在高压下也不会发生二次击穿，因此 v d m o s 与双极型器件相比，在高压工作时有较大的安全工作区。对比双极型 功率器件，因为其少子注入密度随结温升高而增加，即电流增大，可能造成电 流集中而热击穿器件。相反v d m o s 作为多子器件，其通态电阻随着温度升高 而增大，没有由热电正反馈而引起的二次击穿，很难引起由于局部电流突然增 大，过热发生的击穿，使得安全工作区增大。这也是v d m o s 允许元胞之间并 联和器件之间并联的原因。 ( 1 1 ) 准饱和效应。由于v d m o s 具有的特殊的垂直导电通道结构，将出现 有别于一般m o s f e t 的准饱和现象，所谓的准饱和效应指v d m o s 的输出电流 达到一定限度以后，漏源电流随着栅压升高几乎不变，随着漏压升高不饱和的 现象。准饱和现象限制了v d m o s 的最大输出电流。研究指出，准饱和现象是 载流子在外延层达到速度饱和所造成的，输出电流的最大值与体区p 阱之间距 离成诈比。 2 2 热分析概述 2 2 1 稳态热分析理论 稳态热分析用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态 一7 哈尔滨理工大学_ 学硕士学位论文 热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。 稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯 度、热流率、热流密度等参数。 稳态热分析基于能量守恒原理的热平衡方程。遵循热力学第一定律，即能 量守恒定律。 热传递包括三种方式： ( 1 ) 热传导。热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不 同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循傅立叶定律。 ( 2 ) 热对流。热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差 的存在引起的热量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对 流用牛顿冷却方程来描述。 ( 3 ) 热辐射。热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热 量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需 要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最 高。在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时 辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬一波尔兹曼方程来计 算，包含热辐射的热分析是高度非线性的【3 6 1 。 2 2 2 热应力分析理论 热应力又称为温度应力，它是由于构件受热不均匀而存在着温度差异，各 处膨胀变形或收缩变形不一致，相互约束而产生的内应力。 物体热胀冷缩现象是产生热应力的前提。衡量热胀冷缩大小的物性参数是 材料的热膨胀系数伉，其单位为1 。c 。设结构温度变化为t = t - t o ，t 是结构 内任一点当前的温度值，乃是初始温度值，则初应变d = a 木t 。 在温度变化时，结构内、外的约束是产生热应力的条件。如果一个均质结 构各部分的热变形不受任何约束时，则物体上有热变形但不会产生热应力，这 种现象是自由膨胀或收缩。热应力产生有以下几种情况： ( 1 ) 均质结构由于内部受热不同，热变形不能自由进行，会产生热应力。 ( 2 ) 在同一物体内部，如果温度分布不均匀，虽然物体不受外界约束，但 是由于各处温度不同，每一处因受到不同温度的相邻部分的影响，不能自由伸 缩，也会在内部产生热应力。 ( 3 ) 物体由若干种不同材料属性的组件构成，即使受热均匀，但由于各组 哈尔滨理工大学工学硕：卜学位论文 件的热膨胀系数不同，也会产生热应力。 2 3 有限元法简介 有限单元法( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 最早可追溯到2 0 世纪4 0 年代 3 7 1 。1 9 6 0 年，c l o u g h 第一次提出了“有限单元法( 亦称有限元法) ”，使人们 认识到它的功效。经过4 0 多年的发展，随着计算机技术的快速发展和普及， 有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成 为一种应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元法的基本原理是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解 域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的 ( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条 件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被 较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计 算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 2 4a n s y s 热仿真软件介绍 2 4 1a n s y s 发展历史 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用 有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开 发。a n s y s 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用 来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领 域：航空航天、汽车1 ：业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微 机电系统、运动器械等。 a n s y s 是a n a l y s i ss y s t e m 的简写，是一种广泛性的商业套装工程分析软 件。该软件有多种不同版本，从1 9 7 1 年的2 0 版本到现在的1 1 0 版本，已有 3 0 多年的历史。 2 4 2a n s y s 技术特点 与其他的有限元计算软件相比，a n s y s 具有以下技术特征： 哈尔滨理工人学_ t 学硕士学位论文 ( 1 ) 强大的非线性分析功能； ( 2 ) 具备快速求解器； ( 3 ) 智能网格划分； ( 4 ) 独一无二的优化功能，唯一具有流场优化功能的c f d 软件； ( 5 ) 良好的用户开发环境； ( 6 ) 最早采用并行计算技术的f e a 软件； ( 7 ) 集前后处理、分析求解及多场分析于一体； ( 8 ) 可与大多数的c a d 软件集成并有接口； ( 9 ) 具有多层次多框架的产品系列【3 8 3 9 1 。 2 5 本章小结 本章对功率v d m o s 器件进行了简要介绍，论述了热分析和热应力分析的 基本理论，简单介绍了有限元分析方法及a n s y s 软件的技术特点和功能，并 初步介绍了a n s y s 的基本分析过程。 晴尔滨理t 大学t 学倾l 学位论文 第3 章功率v d m o s 器件可靠性试验 目前，电子产品市场竞争激烈，功能和性能不再是衡景产品竞争能力的唯 要素，可靠性已经成为产品最为重要的质量特性，为了适麻几益激烈的竞争 环境，企业必须在最短的时问内生产出高可靠性的产品，以满足用户的需求。 研究可靠性i 【! _ 】题的方法大致可分为两大类：试验研究方法和理沦研究方 法。为评价、分析电子元器件的可靠性而进行的试验称为电子元器件的可靠性 试验，其目的是考核电子元器件在运输、使用等情况下的可靠性。可靠性试验 的种类多种多样，对于电予元器件两占，可靠性试验有机械试验、环境试验和 咆性能参数测试试验等。 小章选择环境试验方法，对功率v d m o s 器件进行温度循环试验，对经过 温度循环试验后的样品进行电性能检测以及外观检查，并对失效器件进行开 封、超声波清洗及显微镜检查分析。用较少的试验样品，在较短的时刚内获得 器件的失效规律，通过对失效样品的分析，得到器件的失效机理，从而在器件 制造工艺中进行控制，进一步提高其可靠性。 3 1 试验样品及设备 3i1 试验样品 奉课题选用的功率v d m o s 器件的样品型号为：i r f 7 3 0 、1 r f 8 4 0 、s w 7 3 0 和s w 8 4 0 ，封皱形式均为t o 一2 2 0 a b ，如图3 - 1 所示。 o j i 慨g2m 枇d3 澎- 懈s 吲3 - it o 2 2 0 a b 封装肜式 f i g3 1t o 一2 2 0 a bp a c k a g i n gf o r m 其中i r f 7 3 0 和i r f 8 4 0 是i r 公司的产品，代表了甘前喇外功率v d m o s 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 器件最成熟的工艺设计。s w 7 3 0 和s w 8 4 0 是深圳南方芯源电子有限公司的产 品，该公司是目前国内唯具有功率v d m o s 器件独立自主知识产权的企业， 代表了目前国内最成熟的工艺设计。试验样品的技术指标如表3 1 所示。 表3 - 1 试验样品的技术指标 t a b l e3 - 1t h et e c h n i c a l s t a n d a r do fe x p e r i m e n ts a m p l e 样品型号 耗散功率( w )极限电压( v )极限电流( a )导通电阻( q ) i r f 7 3 07 54 0 05 51 i r f 8 4 01 2 55 0 080 8 5 s w 7 3 0 7 5 4 0 0 5 51 s w 8 4 01 2 55 0 080 8 5 3 1 2 试验设备 本试验采用重庆银河试验仪器有限公司生产的型号为h l 4 0 0 5 u 的高低温 试验箱。h l 4 0 0 5 u 高低温试验箱适用于各种电子元器件、仪器、仪表、原材 料和涂镀层等在不同温度变化环境条件下进行性能试验。 3 1 3 试验条件 试验条件由试验的低温温度值t a ，高温温度值t b ，高、低温保持时间 t l ，温度变化速率和循环次数来确定。根据国家标准g b 2 4 2 3 2 2 8 7 试验n b 中 的要求，确定的试验条件如下： ( 1 ) 低温温度值t a ：4 0 ： ( 2 ) 高温温度值t a ：+ 1 2 5 ； ( 3 ) 高、低温保持时f , jt l ：l h ； ( 4 ) 温度变化速率：1 m i n ； ( 5 ) 循环次数：8 次。 3 2 试验过程 3 2 1 预处理及试验前检测 在进行试验之前，为了消除或部分消除试验样品过去所受的影响，需要对 哈尔滨理r t 大学工学硕士学位论文 试验样品进行预处理。将功率v d m o s 器件试验样品放置在j 下常的试验大气条 件下，直至达到温度稳定。 在进行试验之前，按照国家标准g b 2 4 2 3 2 2 8 7 试验n b 中的要求，对试验 样品进行电性能测量以及外观检查，并记录检测数据。 3 2 2 试验步骤 ( 1 ) 将试验样品放入试验箱中，试验样品和试验箱均在试验室温度下； ( 2 ) 使试验箱的温度以规定速率降低到规定的低温t a ； ( 3 ) 在试验箱温度达到稳定后，试验样品在低温t a 下保持规定的时间t l ； ( 4 ) 使试验箱的温度以规定速率升高到规定的高温t b ； ( 5 ) 在试验箱温度达到稳定后，试验样品在高温t b 下保持规定的时间t l ； ( 6 ) 使试验箱的温度以规定速率降低到试验室环境温度值。 上述6 步构成一个循环，见图3 2 。试验样品经受8 次连续的循环。 p _- 懋 缀 茹 程 缀 鬣 缎 t a 图3 - 2 温度循环曲线 f i g 3 - 2t e m p e r a t u r ec y c l i n gc u r v e 3 2 3 恢复及试验后检测 在试验结束之后，最后检测之前，为使试验样品的性能稳定，将试验样品 从试验箱内取出后，在正常大气条件下进行恢复，直至达到温度稳定。 恢复期结束后，对试验样品进行电性能测量以及外观检查，并与初始检测 数据进行比较。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 3 2 4 失效判据 按照国家标准g b 2 4 2 3 2 2 8 7 试验n b 中的要求，当试验样品发生下列任何 一