[发明专利]基于故障物理的功率电子器件失效分析方法

说明书

本发明公开一种基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，应用于可靠性领域，通过采用文献调研和实物观察初步确立功率电子器件的失效部位范围，缩小研究目标；通过分析功率电子器件内部结构，设计等效电路；通过改变部分参数分析功率电子器件外特性对功率电子器件模型参数变化的敏感程度，找出显著影响器件动态特性的主导参数，从而找出关键失效部位；建立功率电子器件三维模型，并采用COMSOL仿真对三维模型进行耦合分析；相比现有的其他方法，本发明方法能得出更为准确的分析结果。

技术领域

本发明属于可靠性领域，特别涉及一种基于故障物理的失效分析技术。

背景技术

现今各种家用电器、工业设施、消费电子等设备都需要功率电子器件作为电能控制转换的核心器件，在环境资源问题成为中国乃至全世界面临的严峻考验时，功率半导体产业迎来了更大的发展机遇。作为新世纪高新产业与节能减排政策落地实施的契合点，功率半导体产业得到国家的大力扶持，尤其是在MOS器件、IGBT模组、SiC/GaN等新型材料器件的应用方面。

功率分立器件包括二极管、IGBT、MOS类器件，它们分别作用于不同领域。MOS类器件占据着整个功率半导体市场单类产品约25％的份额；IGBT是诸多功率半导体器件中最有潜力的，2015年IGBT分立器件已经占到了相当大的市场份额，约为10％，相关模组产品更是占到了高达30％的份额。与分立器件相比，功率模块电压规格更高、工作更可靠。目前功率模块产品占到了功率半导体市场份额的30％左右，市场占比还在逐年增加。而IGBT模块在当前的功率模块化产品中是最热门的。

除了在民用产品中占极大比例外，功率电子器件在国防事业中也起着十分重要的作用。以航天运载火箭为例，运载火箭的控制系统作为运载火箭三大组成系统之一，是控制火箭沿预定轨道正常可靠飞行的关键所在，其质量水平和可靠性直接决定着运载火箭任务的成败。1996年长征三号乙运载火箭首飞，由于控制系统的电子器件发生失效，使得火箭的惯性基准倾斜，最终导致火箭完全失控坠毁爆炸。运载火箭的控制系统由于涉及的零部件和元器件种类多，且其中的关键功率电子器件如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，尚未在国产化上取得突破。因此，对功率电子器件进行准确的失效分析对我国集成电路产业的发展和对国外器件的筛选都具有十分重要的意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明以功率电子器件为研究对象，结合功率电子器件电气物理特征和多应力耦合仿真，提出了一种更为准确的失效分析方法，基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，找到了功率电子器件的关键失效部位，为之后基于故障物理的可靠性建模和筛选方案的设计确认了研究部位，缩小了研究范围。

本发明采用的技术方案为：基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，包括：

A：通过采用文献调研和实物观察，初步确立功率电子器件的失效部位范围；

B：通过分析步骤A所确定失效范围内功率电子器件内部结构，设计等效电路；

C：通过改变等效电路具体部位参数，分析功率电子器件外特性对功率电子器件模型参数变化的敏感程度，找出显著影响器件动态特性的主导参数，从而找出第一关键失效部位；

D：对步骤C得到的关键失效部位进行验证；具体为：建立功率电子器件三维模型，并采用COMSOL仿真对三维模型进行耦合分析，得到引起功率电子器件失效的第二关键失效部位；若第一关键失效部位与第二关键失效部位一致，则表示所找到的关键部位正确。

进一步地，步骤A包括：

A1、通过采用文献调研，初步确立功率电子器件发生失效的主要原因为：过电流、过压、结温过高、振动；

A2、通过对功率电子器件的实物进行分析，得到功率电子器件的失效部位主要为键合处和焊料层。

进一步地，步骤B中采用二极管的结电容等效表征功率电子器件内部的压控寄生电容，从而设计等效电路。