【博主簡(jiǎn)介】本人“愛(ài)在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。常言：真知不問(wèn)出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請(qǐng)大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

我曾是一名從事第三代半導(dǎo)體行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量管理從業(yè)者，所以一直深耕于半導(dǎo)體產(chǎn)品的質(zhì)量把控工作，特別是現(xiàn)在的碳化硅(SIC)材料領(lǐng)域，我也一直在跟許多的同道中人探討和學(xué)習(xí)不同半導(dǎo)體器件的可靠性，從而不斷加深對(duì)可靠性的認(rèn)識(shí)和理解。

本篇針對(duì)性的對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行可靠性探討，所有半導(dǎo)體器件在可靠性方面都有共性，激光器的失效模式對(duì)其它半導(dǎo)體器件的機(jī)制分析方面，筆者認(rèn)為都是可以借鑒的。

一、 半導(dǎo)體器件可靠性的定義

半導(dǎo)體器件在完成封裝后，為了全面評(píng)估其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和質(zhì)量，必須進(jìn)行一系列可靠性測(cè)試。這些測(cè)試旨在模擬器件在實(shí)際工作環(huán)境中可能遇到的各種極端條件，以確保其能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下，無(wú)故障地完成規(guī)定的功能。

1、可靠性包含的層面

固有可靠性 ：由器件材料、設(shè)計(jì)、制造工藝等內(nèi)在因素決定，反映器件本身的穩(wěn)定性和抗干擾能力；

使用可靠性 ：指封裝后的組件在特定使用環(huán)境和時(shí)間內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定性，受環(huán)境應(yīng)力、使用條件等外在因素影響。

2、關(guān)鍵衡量指標(biāo)

故障率 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的頻率，常用百萬(wàn)小時(shí)故障數(shù)（MTTF）表示；

平均故障間隔時(shí)間（MTBF） ：兩次故障之間的平均時(shí)間，反映設(shè)備可靠性的直接指標(biāo)；

可靠度 ：在特定條件下無(wú)故障運(yùn)行的概率，通常通過(guò)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)；

失效率 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)失效部件的數(shù)量，與故障率相關(guān)。

二、影響半導(dǎo)體可靠性的因素

1、材料特性：半導(dǎo)體材料的純度、晶體結(jié)構(gòu)等直接影響器件的性能和壽命。

2、制造工藝：如光刻、蝕刻、摻雜等工藝的精度和一致性對(duì)可靠性至關(guān)重要。

3、工作環(huán)境：溫度、濕度、輻射、機(jī)械應(yīng)力等外部條件會(huì)加速器件的老化和失效。

4、設(shè)計(jì)缺陷：電路設(shè)計(jì)不合理或器件結(jié)構(gòu)缺陷可能導(dǎo)致早期失效。

三、器件失效的不同階段及可能原因

如果要給器件的失效率隨時(shí)間的變化分為不同階段來(lái)探討，我們一般可以分為3個(gè)階段，一個(gè)是早期失效階段、一個(gè)是偶然失效階段、一個(gè)是損耗失效階段。

早期失效階段是失效率隨時(shí)間增加迅速下降，這是產(chǎn)品早期缺陷迅速表現(xiàn)出的結(jié)果，引起早期失效的主要原因如芯片工藝缺陷、外延致命缺陷、封裝工藝等，這個(gè)通過(guò)早期的篩選可以去除。

偶然失效可以理解為產(chǎn)品的失效主要來(lái)自偶然因素，且該階段是產(chǎn)品的主要使用壽命期。

損耗失效的特點(diǎn)主要為失效率隨著工作時(shí)間的增加而迅速上升，主要原因?yàn)?a target="_blank">芯片制造以及封裝工藝水平限制，器件長(zhǎng)期工作因老化、疲勞等到壽命終結(jié)。

四、 可靠性常見(jiàn)的失效模式

下面還是以半導(dǎo)體激光器為主要討論對(duì)象，闡述幾種常見(jiàn)的失效模式：

1、 電極退化

高功率半導(dǎo)體激光器的工作電流大，焊料層隨電流方向擴(kuò)散到半導(dǎo)體材料，會(huì)形成暗點(diǎn)缺陷，在大電流下形成局部熱量積累，電極銅片被燒毀，造成激光器災(zāi)難性的失效。

半導(dǎo)體激光芯片材料與熱沉材料的熱匹配性差，焊接溫度應(yīng)力引起焊層內(nèi)部缺陷或開(kāi)裂，導(dǎo)致器件電極退化。

焊料制備中焊料的均勻性和焊料厚度的控制也是關(guān)鍵工藝。

2、 腔面退化

腔面退化是半導(dǎo)體激光器區(qū)別于其他微電子器件的主要失效模式。

大輸出功率下，腔面作為諧振腔的出光面，承受很高的功率密度。特別是，大功率器件的前后輸出功率密度在每平方米可以達(dá)到數(shù)百萬(wàn)瓦，因有源區(qū)材料含有鋁或銦，鋁或銦在高功率密度下融化或者再結(jié)晶，導(dǎo)致腔面破壞。

腔面災(zāi)害性損傷是由于芯片前后腔面所鍍的透射膜和高反射膜的工藝控制缺陷所致，在高功率密度作用下發(fā)生炭化或者化學(xué)腐蝕損失，最終引起芯片失效。

腔面的另一種退化方式為可視光學(xué)損傷，主要原因?yàn)楹附舆^(guò)程中焊料污染等。

3、 芯片側(cè)面絕緣層失效

由于芯片兩端未鍍介質(zhì)膜或者介質(zhì)膜鍍的不好，使得焊料沿著端面浸潤(rùn)到N極，引起芯片短路而失效。

4、 芯片內(nèi)部缺陷擴(kuò)展

如激活區(qū)的非輻射復(fù)合將通過(guò)晶格釋放能量，一旦這些晶格位錯(cuò)包含點(diǎn)缺陷或者線缺陷會(huì)沿著晶面生長(zhǎng)、攀移、滑移等進(jìn)入芯片激光區(qū)，造成芯片失效。

5、 其它外部因素

激光器工作環(huán)境的外部因素，如靜電、水汽污染等。

五、半導(dǎo)體器件可靠性測(cè)試的方法

1、高溫存儲(chǔ)壽命測(cè)試（HTSL）

在150℃的儲(chǔ)存箱中不通電存儲(chǔ)，分別在168h、500h、1000h后進(jìn)行通電測(cè)試，并與常溫下的特性值進(jìn)行比較。

2、高溫反偏測(cè)試（HTRB/GB）

在150℃、80%濕度的條件下，對(duì)功率器件的基極或門極加載反偏電壓，持續(xù)一段時(shí)間后讀取電特性值。

3、高溫工作壽命測(cè)試（HTOL）

在125℃的儲(chǔ)存箱內(nèi)，對(duì)器件施加規(guī)范內(nèi)的最高和正常工作電壓，持續(xù)一段時(shí)間后讀取電特性值。

4、高溫、高濕度電測(cè)（THBT）

在85℃、85%濕度的條件下，施加最小工作電壓，持續(xù)一段時(shí)間后讀取電特性值。

5、溫度循環(huán)試驗(yàn)

在-65℃至150℃或-55℃至150℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，讀取特定循環(huán)次數(shù)后的電特性值。

6、壓力鍋試驗(yàn)（PCT）

將測(cè)試元器件封裝體放入121℃的水容器中施加壓力，持續(xù)一段時(shí)間后讀取電特性值。

7、高溫加速應(yīng)力試驗(yàn)（HAST）

在130℃、85%濕度的條件下，施加壓力和反偏電壓，持續(xù)一段時(shí)間后讀取電特性值。該測(cè)試條件嚴(yán)苛，常用于快速檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性。

8、晶須生長(zhǎng)測(cè)試（Whisker Growth Test）

目的：評(píng)估封裝體引腳電鍍層金屬須的生長(zhǎng)情況，以防止因晶須導(dǎo)致的短路或斷路故障。

測(cè)試條件：通常將器件置于高溫高濕環(huán)境中（如烘箱），持續(xù)數(shù)月至一年，以加速晶須的生長(zhǎng)過(guò)程。

應(yīng)用：特別適用于引腳間距小或電流密度大的功率器件。

9、離子遷移測(cè)試（Ionic Migration Test）

目的：評(píng)估在電場(chǎng)作用下，封裝體內(nèi)離子遷移導(dǎo)致的電性能變化或失效。

測(cè)試條件：施加一定的電壓和濕度條件，觀察電特性隨時(shí)間的變化。

應(yīng)用：適用于含有易遷移離子的封裝材料或結(jié)構(gòu)。

10、氣密性測(cè)試（Hermeticity Test）

目的：評(píng)估封裝體的氣密性能，以防止外部濕氣、污染物等侵入導(dǎo)致失效。

測(cè)試方法：采用氦質(zhì)譜檢漏儀等方法檢測(cè)封裝體內(nèi)的漏氣情況。

應(yīng)用：特別適用于對(duì)氣密性要求高的封裝結(jié)構(gòu)，如氣密封裝。

11、熱機(jī)械應(yīng)力測(cè)試（Thermomechanical Stress Test）

目的：評(píng)估封裝體在熱機(jī)械應(yīng)力作用下的變形、開(kāi)裂等失效情況。

測(cè)試條件：施加一定的溫度變化和機(jī)械應(yīng)力，觀察封裝體的響應(yīng)。

應(yīng)用：適用于評(píng)估封裝體的熱機(jī)械穩(wěn)定性和可靠性。

總結(jié)一下

本公眾號(hào)里有分享過(guò)多篇關(guān)于器件可靠性和半導(dǎo)體行業(yè)的相關(guān)文章，從光電器件到功率器件，從深紫外器件到激光器器件，所有這些都是為了從不同角度去觀察可靠性問(wèn)題，也只用攻克這些問(wèn)題，才能真正的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。產(chǎn)品最終是要來(lái)用的，沒(méi)有更好的可靠性，就無(wú)法去談?shì)^好的產(chǎn)品穩(wěn)定性。因此，關(guān)于可靠性的話題，再怎么多都不會(huì)覺(jué)得多。

而關(guān)于可靠性，一定要系統(tǒng)的、高屋建瓴的去思考這個(gè)問(wèn)題，然后深入到不同體系，融會(huì)貫通，最終實(shí)現(xiàn)有尊嚴(yán)的產(chǎn)品，產(chǎn)品就是企業(yè)的尊嚴(yán)。所以希望在此多認(rèn)識(shí)一些從事同行業(yè)的朋友們，我們一起多多交流學(xué)習(xí)哦！

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審核編輯 黃宇