第03章体内失效机理

第三章体内失效机理1* 二次击穿一．热电破坏引起器件二次击穿半导体器件的体内失效中，热电破坏是最主要得失效形式之一。

热电破坏是器件因温度升高而引起的器件参数退化或烧毁。

最典型的例子是高反压器件和高功率器件的“二次击穿”。

二次击穿是体内失效，它是导致功率管突然烧毁和早期失效的主要原因。

（一）二次击穿概述二次击穿是指器件被偏置在某一特殊工作点时，电压突然下跌，电流突然上升（出现负阻）的物理现象。

二次击穿（简称SB）现象不仅在双极功率管中存在，而且在点接触二极管/CMOS集成电路以及各种体效应器件中也同样存在。

如果器件无限流装置或保护措施，一旦发生二次击穿，器件会立即烧毁。

只不过不同器件对二次击穿的敏感性不同，其中功率器件和CMOS集成电路比较敏感。

双极型晶体管的二次击穿现象如图3-1所示。

根据发射结的偏置状态，可以分为正偏二次击穿和反偏二次击穿。

图3-1所示曲线有以下特点：1．三种曲线皆存在一个电压开始跌落的点，这个点称为二次击穿触发点，其功率大小为PSB。

在二次击穿触发点停留时间（Τd ）称为二次击穿“延迟时间”。

2．三条曲线中Psbr<Psbo<Psbf，可见反偏二次击穿的功率最小，正偏二次击穿的功率最大。

3．三条曲线进入低压大电流时，其电压极限值近于相等，约为10—15V。

二次击穿与雪崩击穿（一次击穿）不同，它们有本质的区别；雪崩击穿是电击穿，一旦反偏电压下降，器件仍可恢复正常，可见一次击穿是非破坏性的，是可逆的。

二次击穿则不然，它是一种热电击穿，它属于破坏性的，是不可逆的。

二次击穿发生时有很大的过量电流流过PN结，PN结有很高的温升，因此二次击穿会严重损伤PN结，甚至烧毁。

小功率器件的二次击穿功率Psb比一次击穿功率Pcm大15---100倍，但大功率器件的功率余量则很小，一般Psb比Pcm仅大2---10倍，两者相差一个数量级。

因此二次击穿失效对功率晶体管可靠性的危害特别严重。

由于功率晶体管的功率余量不多，所以使用中往往容易出现瞬间超过“二次击穿功率”而导致管子烧毁失效。

特别是在晶体管突然截止或负载突然发生开路的时候，容易出现反偏二次击穿。

（二）二次击穿的机理双极型晶体管的二次击穿机理已有大量研究文章，但到目前为止尚没有一种理论能圆满地说明二次击穿的问题。

当前用得较多的理论有热不稳定理论（称热模式）和雪崩注入理论（或称电流模式）。

1．热不稳定理论认为，出现二次击穿的原因是热电反馈效应使电流在管芯的局部地区集中，造成温度过高而产生热斑。

当器件吸收能量达到了触发能量后，就会立即出现逆转和电流骤增（负阻），从而导致二次击穿，触发二次击穿所需能量如下式所示：Esb=对（（ic）（t）Vc（t）dt）积分从0到τd式中：τd是延迟时间，一般为几十微秒到几十毫秒。

2．雪崩出入理论认为，二次击穿与器件从电源吸收的能量无关，而与器件局部点的瞬时电流密度及该点对应的集电结处电场有关系。

当电流密度达到了空间电荷限制电流密度和集电结处局部场强达到雪崩临界场强时，便会诱发二次击穿。

它与热不稳定二次击穿相比，电流更加集中，电流聚集处瞬时功率密度更大，其延迟时间更短（约ns量级）。

雪崩注入引起二次击穿，首先在集电区---衬底交界处（例如NN+）发生，而热不稳定引起的二次击穿则首先是在BC结处发生。

3．正偏二次击穿。

当EB结处于正偏，Ib大于零时晶体管处于放大区，基区横向电流在基区电阻上产生压降，在基区形成一个横向电场，即基区偏压效应。

此时来自发射极的电流Ie因横向电场的作用便聚集到发射区边缘的狭窄区域（集边效应如图3-3（a）所示）。

如果由于某种原因引起电流继续增大因而热电反馈效应的作用，在EB结就会出现热点，并且基区宽度越窄，外加电压VCE越高，热点就越严重。

所以设计功率管时应考虑在频率特性满足需要的情况下，应尽量保证一定的基区宽度，同时尽可能在电路中使用低电源电压，这些措施有利于防止正偏二次击穿的发生，例如负载突然短路或突然加大输入信号等。

正偏二次击穿烧毁的器件，在表面均可观察到烧熔孔洞，。

反偏二次击穿。

当EB结处于反偏时，反向击穿电流在基区电阻上的横向电场与正偏时恰好相反，此时流入发射极的电流集中到发射区中部（夹紧效应），如图3-3（b）所示。

BC结空间电荷区电流集中区（a）正偏（b）反偏图3-3正/反偏二次击穿由于反偏时基区电场较强，电流更加集中，电流密度比正偏时更大，所以反偏二次击穿所需的能量比正偏时要低得多。

反偏二次击穿的出现与电流/电压和脉冲的作用时间有关，因为基区横向电场与反偏电压VBE和串联电阻RBC有关。

图3-4中示出反偏二次击穿能量与RBE的关系。

如果反偏电压VBE减小，RBE增加，基极电流和基区横向电场会减少，则发生二次击穿的能量值就会增加。

但RBE增加IB减小，晶体管截止时间增长，所以设计时要在晶体管截止频率与二次击穿的容量之间加以权衡考虑。

反偏二次击穿常常发生在晶体管有电感性负载的开关电路中，BE结瞬时反偏电压越高，反偏二次击穿耐量越低。

另一方面，负载电感L越大，则晶体管关闭时，电感中储存的能量越大，或者说自感电动势越大，此时器件越易进入雪崩击穿，即反偏二次击穿耐量越低。

5．二次击穿发生的过程。

任何功率管均可看成是由N个器件并联而成。

如图3-5所示。

由于种种因素均会引起内部电流分布不均匀，假设第I个子器件的电流因某种原因出现Δii 增量，它导致了该器件上功耗增加Δpi=VΔIi，进而引起温度增量Δti。

由于PN结正向电流或发射极电流以及电流放大系数都具有正温度系数，所以温度增量又导致了电流增量Δii。

这种热电正反馈的结果，将造成第i个子器件上电流密度很大，峰值结温很高，最后几乎全部功率都集中于这个单元，此时发射极接触区出现熔坑，甚至超过材料本征温度，出现热奔引起器件烧毁。

（三）发生二次击穿前的征兆1．热激发电流的畸变现象。

图3-6为二次击穿时的热电流畸变现象。

当IB>0时，特性曲线呈环状并在环的上部凸起一个尖峰，最后尖峰破裂而越入二次击穿。

破裂处为集电极扫描电压的后半周（扫描是逆时针的），即后半周的电流超过了前半周，它说明器件在二次击穿前，已有明显热激发。

由热激发引起ICE0增加，发生二次击穿时的输出波形如图3-7所示。

二次击穿能量b图3-5功率管可视为N个器件并联而成图3-4反偏二次击穿能量与VBE/RBE的关系IC ICIb=0 VCE Ib=0 VCE Ib>0 VCE Ib>0 VCE图3-6热激发电流的畸变IC IC ICVCE VCE VCE （a）（b）（c）图3-7二次击穿前后的输出曲线2．另一种电流畸变现象如图3-8所示。

曲线起始于环状畸变，但破裂却发生在下半环。

环线从下半部凸起，与上半部相交后破裂。

它说明在扫描的后半周，集电极电流曾经减小（或基极电流迅速增长）。

这种现象反映出器件在发生二次击穿前夕的工作状态比较复杂，它涉及到发射极注入效率下降，基区宽度等情况，因此畸变与Hfe下降有关。

图3-9为电流集中引起Hfe下降时的特性曲线。

（四）二次击穿烧毁的特征发生二次击穿引起烧毁的晶体管，解剖后在显微镜下仔细观察芯片表面，它们有以下特征：1．绝大多数失效器件的铝膜出现局部发黑，这种现象是由于功率过荷引起的铝膜慢性损伤。

在热量和电流的冲击下铝膜出现再结晶，表面变得十分粗糙。

在光学显微镜下观察，由于光的漫反射作用，因此在视场内呈现铝发黑现象。

如果除去铝层，在接触窗口内便可看到局部较深的熔区，它们就是铝硅合金坑。

有时还可以看见射极台阶处铝条熔断/二氧化硅发花（变形或破裂）/甚至出现局部温度高于1300*C时引起的硅片熔化，形成很深的熔洞等。

芯片上出现熔洞属于严重烧毁，此时芯片出现很大面积烧毁，甚至键合铝引线也被熔断。

2．二次击穿部位与芯片上热点的出现有关，热点是指电流集中并经过高温而造成局部损坏的区域。

在热点出现的位置将产生铝膜局部发黑/铝—硅合金化起球/发射极条的镍—铬电阻被烧断等现象。

如果将热点部位磨角显示，常常可以见到发射区已经熔穿。

对于发射极是梳状结构的功率管，热点大多出现于基极上。

但“王”字型发射极晶体管，热点常出现在发射极上。

如果将管子的管帽打开，在加电情况下用显微镜观察（用暗视场）芯片，可以见到热点的位置，热点刚出现时呈暗红色发光点；电压逐渐升高，暗红色发光点趋于强烈，甚至扩大成红斑或者红点改变位置，移向电极端头则瞬时即逝，与此同时管子烧毁。

(五)诱发二次击穿的工艺因素发生二次击穿的部位常常与该处存在的工艺缺陷有关，这些工艺缺陷引起电流集中，导致PN结局部烧毁。

1．芯片与底座烧结不良，芯片下的焊料中有空洞，芯片在空洞处的部分散热不良因温升较大形成热点，电流在热点附近集中而导致器件烧毁。

2．因发射极键合位置不当，键合点压偏将某一个镇流电阻短路，引起该发射极条失去镇流保护，使本应加在镇流电阻上的电压也一起加到发射极条的PN结上，导致该注入电流显著增大和电流进一步集中。

3．光刻接触孔套歪，引起EB结正向偏置电压不对称，其中接触孔靠近EB结一侧的电流最大，即IE电流主要集中在该区域。

4．发射极边缘不齐或有毛刺，这种缺陷不仅增加了有效发射极周长，而且还会引起尖端发射，两种因素同时作用将引起电流更加集中。

5．异常的尖端扩散造成基区宽度不均匀，导致IE电流在基区最窄区域集中。

6．键合压力过大，造成键合点下的硅晶体损伤，在芯片内部留下残留应力，从而引起电流集中。

（六）改善二次击穿性能的措施为了改善功率管的二次击穿特性，扩大安全工作区，提高可靠性，目前采取的措施有：1．在发射极条上设计串联电阻，利用电流负反馈作用提高正偏二次击穿耐量。

此法是高频功率管普遍采用的方法。

2．集电极上串联镇流电阻，改善反偏二次击穿耐量。

集电极的串联电阻，是利用加厚外延层厚度或多层集电区来实现的。

因此在芯片图形上看不见这种集电极串联电阻。

3．在功率管BC结上并联极性相同的PN结二极管可以提高反偏二次击穿耐量。

但二极管的反向击穿电压必须小于功率管的BC结击穿电压，否则无效。

4．微波功率管常采用的方法是网络匹配技术，利用键合引线的电感和金属氧化物电容组成的网络，通过设计，选择适当的匹配参数，从而实现功率的自动调整。

5．改进金属化系统，采用多层金属化，改善电迁移和硅—铝互熔造成的EB结短路或退化。

6．改善晶体管的散热机构，改进芯片烧结材料和工艺，减小接触电阻，避免空洞，提高散热性能。

7．减少芯片表面和体内缺陷。

如提高光刻质量，避免出现套刻不准/严重毛刺；提高键合质量，避免短路镇流电阻和损伤芯片；提高扩散质量，保证基区厚度均匀，避免出现“尖端扩散”等。

VCE VCE（a）（b）图3-8 另一种电流畸变二．晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区（简称ASO）是指晶体管在此区域内运用时，管子不会立即引起损坏或发生缓慢的特性退化现象。