CN108256276A - 基于故障物理的功率电子器件失效分析方法 - Google Patents

基于故障物理的功率电子器件失效分析方法 Download PDF

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CN108256276A CN201810200949.4A CN201810200949A CN108256276A CN 108256276 A CN108256276 A CN 108256276A CN 201810200949 A CN201810200949 A CN 201810200949A CN 108256276 A CN108256276 A CN 108256276A
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Abstract

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。

Description

基于故障物理的功率电子器件失效分析方法
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。
进一步地，步骤C具体包括以下分步骤：
C1：提取功率电子器件等效电路中的模型参数，包括：栅极电容、栅极内阻、剩余载流子寿命；
C2：设计动态测试电路，通过调整等效电路具体部位的参数，观察键合线剥落与未断裂两种情况下集电极电压在开通过程中的三个阶段的变化；
C3：根据键合线剥落与未断裂两种情况下集电极电压在开通过程中的三个阶段的变化，得到衡量功率电子器件是否产生故障的特征量；
C4：根据特征量初步确认引起功率电子器件失效的第一关键失效部位。
进一步地，步骤C3所述特征量为：栅极电压特性。
更进一步地，步骤C4所述关键失效部位为键合线剥落。
进一步地，步骤D还包括：将步骤A1得到的功率电子器件发生失效的主要原因：过电流、过压、结温过高、振动，作为输入变量；通过改变输入变量，使用COMSOL仿真对三维模型进行多物理场耦合分析。
本发明的有益效果：本发明的基于故障物理的功率器件失效分析方法，以功率电子器件键合线在热循环载荷下的疲劳问题作为切入点，结合等效电路分析其内部工作原理和有限元多物理场耦合仿真准确定位器件的失效部位，进行失效分析；所构建的失效分析方法不仅限于功率电子器件键合处在热循环载荷下的失效分析问题，而且还可进一步推广应用至其他集成电路产品在一定载荷下的失效分析；本发明的方法对集成电路产品的设计、质量鉴定、可靠性测试等方面均有一定的工程实际意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的方案流程图。
图2为本发明实施例提供的研究对象功率电子器件失效原因占比。
图3为本发明实施例提供的研究对象功率MOS器件内部结构。
图4为本发明实施例提供的研究的功率电子器件等效电路。
图5为本发明实施例提供的研究的功率电子器件恒源流充电电路。
图6为本发明实施例提供的研究的功率电子器件断开电压变化图。
图7为本发明实施例提供的研究对象功率电子器件的转移特性曲线。
图8为本发明实施例提供的研究对象功率电子器件的动态测试电路。
图9为本发明实施例提供的研究对象功率电子器件的三维模型。
图10为本发明实施例提供的研究对象功率电子器件在多物理场耦合仿真软件中的热量分布图。
图11为本发明实施例提供的研究对象功率电子器件在多物理场耦合仿真软件中的等温线和热量流动图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示为本发明的方案流程图，本发明的技术方案为：基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，包括以下步骤：
A：首先，针对具体的功率电子器件，可以通过采用文献调研和实物观察(实验中损坏的器件)初步确立功率电子器件的失效部位范围，缩小研究目标。
B：通过分析功率电子器件内部结构，提出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，由此设计等效电路，改进功率电子器件的动态电气模型。
C：再通过改变部分参数分析器件外特性对功率电子器件模型参数变化的敏感程度，找出能够显著影响器件动态特性的主导参数，进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。
步骤D中还包括步骤D0：利用COMSOL仿真软件对功率电子器件进行耦合分析时，改变输入变量(温度，输入电压等)，使用COMSOL电-热-力耦合分析软件对功率电子器件进行多物理场耦合分析。
所述步骤A具体包括以下分步骤：
A1：功率电子器件产品用途广泛，面临的工况环境也各种各样。以军用产品为例，功率电子器件在军用产品的运输、存储、总装、测试、运行等过程中要经受包括温度、振动、湿度、真空、空间辐射等各种各样的环境影响。其中，电子产品对温度、振动最为敏感。据统计，温度导致的失效占总数的55％，振动导致的失效占20％，合计达到75％，如图1所示。对航天产品而言，在航天环境中的辐射影响也是不可避免的，然而由于现在封装材料的抗辐射性，功率电子器件并不直接暴露于航天环境中，因此太空辐射及热真空对器件的影响较小。此外，近年来，随着航天活动的与日俱增，针对航天环境中辐射对器件的损伤，专家从元件、电路及在产品局部范围内附加一层具有一定质量密度的屏蔽材料等方面入手，研究了各种抗辐射措施，使敏感区域内的空间辐射总剂量获得很大程度的衰减和降低，从而使在该区域内使用的电子元器件可靠的工作，因此太空辐射对其影响相对较小，器件失效的主要原因来源于温度和振动。
如图2所示，功率电子器件在循环状态时，发生失效的主要原因有：过电流、过压、结温过高、振动等。在表1中详细分析了电子常见的失效机理。而引起这些失效的主要机制就是功率循环与热循环，这些都与器件温度有着很密切的关系。因此考虑温度对功率电子器件的影响是本次研究的主要内容。功率电子器件的物理特征主要由内部禁带宽度，载流子浓度、寿命、迁移率等物理参数影响。本节通过分析解释了功率电子器件的主要物理机理如何被上述参数影响。
表1电子器件常见失效机理
A2：功率电子器件的失效部位主要为键合处(键合处主要由键合线相连)和焊料层，在实际操作中通过实物拍照或显微染色的观察方式，观察是否存在裂痕得到功率电子器件的失效部位；在本实施例中通过观察得到功率电子器件的失效部位主要为键合处和焊料层。
所述步骤B具体包括以下分步骤：
B1：功率电子器件的研究过程主要是器件的开关过程，通过研究其开关过程中内部参数的变化对其失效进行进一步分析。
(1)关断
功率电子器件的关断过程中电流主要分为两个部分：突然下降、缓慢衰减。第一阶段主要源于MOSFET的关断过程，MOSFET的沟道随着栅极电压的下降消失，在这段时间内集电极电流下降较慢；第二阶段是由BJT的存储电荷变化决定的，这个时候MOSFET已关断，IGBT又无反向电压，N基区中剩余载流子复合缓慢，这段时间内集电极电流下降速度较慢。
因此，BJT的共射极电流增益和剩余载流子寿命分别决定了IGBT关断过程第一阶段和第二阶段集电极电流的下降速度，由此可见BJT的电流增益和剩余载流子的寿命对功率电子器件的关断影响显著。
(2)开通过程
功率电子器件集电极电流的上升速率是开通速度的一个重要表征。MOSFET的跨导系数与载流子的迁移率成正比，对集电极电流的上升速率有显著影响。温度越高，跨导系数越小，集电极电流的上升速率越慢，功率电子器件的开通速度越慢。
(3)阈值电压
阈值电压是开启器件所需的最小电压，即半导体表面为强反型时的栅极电压。反型层的形成与本征载流子浓度密切相关。
(4)通态压降
当集电极电流一定时，通态压降升高会引起漂移区电阻上的压降增大，使流过强场区的空穴电流变得更为均匀，空间电荷区功率密度也变得均匀，降低了热点出现的概率，延长了电路的短路时间。另外，当出现过载、短路等情况时，集电极电流会急剧增大，耗尽层中的电压随之越大，短路持续时间也越来越长。由此可见，导通电压也是引起IGBT失效的关键参数。
(5)泄漏电流
泄漏电流很可能导致功率电子器件击穿，是功率电子器件失效的原因之一。功率电子器件的泄露电流是PN结耗尽层空间电荷产生的电流与中性基区扩散电流的结合，其计算表达式为：
式中：q—电子电荷量
A—芯片有效面积
ni—载流子浓度
τe—载流子在耗尽区的寿命
Wbej—PN结中耗尽层的厚底
从上式可以看出，IGBT的泄露电流随温度的升高而增大。
B2：等效电路建立
不同的功率电子器件内部构造会有差异，但是等效电路设计思路都一样。以功率MOSFET器件为例，功率电子器件在结构上与MOSFET类似，但是功率电子器件在N沟道MOSFET的N+基板(漏极)上增加了一个P+基板(IGBT的集电极)，形成PN结J1，并由此引出漏极，栅极与源极则完全与MOSFET相似。本发明研究对象功率MOS器件内部结构如图3所示。
功率MOSFET器件本质是由一个MOSFET和三极管构成的，其等效结构和寄生组件如图4所示。
功率电子器件的等效电路如图4所示。各寄生参数及其意义如表2所示。
表2功率器件中的寄生电容及电阻
所述步骤C具体为：再通过改变部分参数分析器件外特性对功率电子器件模型参数变化的敏感程度，找出能够显著影响器件动态特性的主导参数，进而找出关键失效部位：
所述步骤C包括以下分步骤：
C1、提取功率电子器件等效电路中的模型参数，具体为：
1)栅极电容Cge，Cox的提取
为提取栅极电容参数，本发明针对型号CM150DY-24H的器件，使用恒源流栅极充电电路如图5所示。
其中，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，直流电压(DC)Udc＝30V；UVD1＝5V，脉冲源为高电平12V，低电平0V，占空比0.5；负载电阻R1＝30Ω；Rb＝300Ω。
栅极充电的第一阶段，电压Vce较大且基本不变，此时Cox远大于Cdep，Cgc类似于Cdep且远小于Cge。因此可以利用电容充电公式计算Cge：
栅极充电的第二阶段，由于米勒平台效应，Vge保持不变，Cge不再充电。
栅极充电的第三阶段，随着Vce的降低，Cdep急剧增大，此时恒流源同时向Cge和Cox充电，可利用电容充电公式计算。
2)栅极内阻Rg的提取
栅极电流的差异导致了米勒电压稳定水平的差异。栅极内阻Rg可由式求得：
恒源流电路开断电压示意图如图6所示，其中有菱形“◇”的线条为IGBT源极电压变化曲线，有正方形“□”的线条为IGBT栅极电压变化曲线。
3)剩余载流子寿命的提取
剩余载流子寿命是决定IGBT拖尾电流、导通压降等性能的重要参数之一，本发明采用如下拖尾电流测试电路。
该电路通过增大栅极电阻实现关断过程中电压上升阶段的延长，以保证较小的eb结基区边缘过剩载流子浓度，减小电子注入发射极电流。考虑到器件本身的物理参数，与正常工作时端口电压、电流等外部工作条件无关，经过多次测量所得拖尾电流具有较好的一致性。最终所得各参数如表3所示。
表3所得参数值
经验证：模型仿真所得的输出特性、转移特性与IGBT手册数据吻合。
由图7可见，图中的5条线是不同电压下器件的输出特性曲线，模型仿真所得的输出特性、转移特性与IGBT手册数据吻合，都符合器件的输出特性，说明本发明等效电路建立的准确性。
C2：在IGBT键合线剥落的过程中，其等效电路中相应的Cgc发生变化且变小，针对型号CM150DY-24H的两单元IGBT模块，建立动态特性测试电路如图8所示，在图8中直流电压VDC＝30V；脉冲源Vg为高电平Vgon＝10V，低电平Vgoff＝-10V，频率10kHz，占空比0.5；负载电阻RL＝10Ω；L＝12mH。
C3：在功率电子器件开通过程中，集电极电压波形主要有三个阶段：
第一阶段：在开通的第一阶段，Vge(栅源电压)没有达到阈值电压的时候，因为没有电子注入到功率电子器件中，功率电子器件内部双极型晶体管此时尚未激活。这个时候电压源只能通过RG向电容Cge和Cgc充电。
由于开通阶段Vce较大且基本不变，而Cdep很小，此时Cge与Cdep十分近似，且比Cge小得多，这段时间内电压呈较快的上升趋势。
第二阶段：在第二阶段，栅极－发射极电压稳定下来。在第一阶段后，集电极电流不再增加，Cge不再充电，此时全部电流都流入栅极－集电极电容Cgc。因为Ig使电容Cgc放电(米勒效应)，这就会导致栅极－集电极电压下降。但是Cgc会随着栅极－集电极电压减小增大，导数dVce/dt随时间而下降。所以第二阶段Vce的上升速率会越来越慢。
第三阶段：在第三阶段，Vce下降使功率电子器件内部MOSFET不再饱和，此时须加大Vge以维持电流IL。随着电压Vce的降低，Cdep将急剧变大，Cgc≈Cox。栅极电流在第二阶段后将在电容Cge和Cox之间分流，进一步降低Vce的衰减速度，当Vce达到Vce(on)时，开通过程结束。
C4：基于上述分析，栅极电压特性可以作为IGBT故障在线检测的特征量之一，即IGBT功率循环、热循环过程中栅极电压米勒平台的退化程度，可以作为器件的可靠性状态的一个划分依据，当米勒平台消失时，器件内部极有可能发生了铝键合线剥落故障，即第一关键失效部位为键合线剥落。
步骤A-C的电气模型仿真只能通过仿真结果来判断，而COMSOL仿真更为贴近实际观察，所以用后者来验证前者。具体的：本发明通过建立等效电气物理特性分析得到关键失效部位；又从材料结构的角度来考虑，通过COMSOL仿真得到关键失效部位，若两者的结论一致，故能得到更为准确的结果。
所述步骤D具体为：建立功率电子器件三维模型并利用电-热-力耦合仿真软件COMSOL对其进行耦合分析。具体步骤如下：
D1：利用UG等三维绘图软件建立功率电子器件的三维模型。其三维模型如图9所示。
D2：多物理场耦合通常是指两个或两个以上的物理场之间相互作用的情况，属于比较复杂的物理分析方法。耦合分析通常有两种：顺序耦合与直接耦合。顺序耦合是将上一个物理场计算的结果代入下一个物理场分析的条件中来进行几个物理场之间的耦合。直接耦合则是通过将数个物理量的单元矩阵进行计算来进行耦合。
功率电子器件模块在复杂工况环境下工作时往往容易产生大量热量，这些热量在模块内部结构的传递与流动会影响结构内部的温度分布，对模块造成热应力变化引起的损伤。温度的变化是造成功率电子器件模块失效的主要原因，模块内部的电场、热力场和应力场三个物理场是相互耦合、相互作用的。通过功率电子器件模块的电流会在模块内部产生热量，影响材料电导率，热量升高造成的模块损伤又会影响通过模块的电流。因此，功率电子器件模块涉及了电场、热场以及应力场的耦合。
在热学中，传热定义为发生在存在温度差的两个物体之间的能量传递。传热发生的机理取决于这两个物体之间是否存在媒介，以及这个媒介是运动还是静止的。传热主要有两种机理：导热、对流。
(1)导热
热量通过媒介在两个物体间传递，或穿过单个物体，并且不引起任何形式的流体运动，称为导热。在不同的介质中，能量传递的物理机理不同。在气体和液体中，导热是通过随机运动分子之间的碰撞和扩散进行的。在金属中自由电子之间的能量传递会产生导热现象。
一个厚度为Δx＝x2-x1的平壁，横截面积为A。平壁两侧的温度分别为T1和T2。通过平壁的热流量与它的横截面积及温差T2-T1成正比，与平壁的厚度Δx成反比。通过引入一个比例常数k，可以得到一个方程：
当Δx→0时，上面的方程变为：
式(7)为傅里叶导热定律，式中k为材料的导热系数，单位为W/(m℃)，k用于表征某种材料导热性能的好坏。
(2)对流换热
一个物体与其相邻的运动流体(液体或气体)之间的传热称作对流换热。对流换热量与物体和运动流体接触的表面积A成正比，假设物体与运动流体之间的温度差为ΔT。
Q＝h·A·ΔT (8)
式(8)即为牛顿冷却公式，式中h为对流换热系数，单位为W/(m℃)。与导热系数不一样的地方在于，对流换热系数不是材料的固有属性，它取决于物理的材料属性和物体的几何特性。
(3)功率电子器件模块应力场分析
当温度变化时，会导致器件的形状和尺寸发生变化。由于功率电子器件模块的导通损耗和开关损耗的存在，在焦耳热的作用下产生热量并造成温度的升高，造成模块的热膨胀效应，并产生热应变。功率电子器件模块各层材料的热膨胀系数不匹配，在模块的形变过程中，各层材料之间会产生热应力。
在笛卡尔坐标系中，在Q点处取长方体微元Q，各边边长为dx、dy、dz，其位置可以由坐标系中的三个坐标x，y，z精确表示。当处于平衡状态时，微元在各个坐标轴方向上的合力为0。
式中：Fx、Fy、Fz—微元在各个坐标轴上所受的力；
σx,σy,σz—微元在各个坐标轴上的热应变；
τyz、τzy、τzx、τxz、τxy、τyx—微元在坐标系中，各个面上的热应变。
功率电子器件模块温度的变化会引起组件形状和尺寸的变化，当组件的变形受到限制时，器件内部会产生应力，而且多芯片组件内部各个器件的材料不尽相同，即使温度均匀变化以及外界没有约束，也会产生应力。考虑到热应力的广义胡可定律为：
式中：εx,εy,εz—坐标轴各个方向上的热应变；
u,v,w—位移分量；
σx,σy,σz—热应力。
(4)电-热-力耦合
当功率模块通过电流时，功率电子器件模块的电流会在模块内部产生热量，影响材料电导率，热量升高造成的模块损伤又会影响通过模块的电流。因此，功率电子器件模块涉及了电场、热场以及应力场的耦合。二者的电-热耦合关系可表示为：
式中，E—电场强度；
[Π]—帕尔帖系数矩阵；
[λ]—热导率矩阵；
[σ]—电导率矩阵；
[α]—赛贝克系数矩阵；
[ε]—介电常数矩阵；
▽T—温度梯度。
模块中热量的传递和流动会影响模块内部的温度分布，从而产生热应力，其热-力耦合关系可表示：
式中：εx，εy，εz—热应变；
u，v，w—位移分量；
σx，σy，σz—热应力；
α—热膨胀系数；
ΔT—两时刻的温度差。
步骤D0具体为：利用COMSOL仿真软件对功率电子器件进行耦合分析时，改变输入变量(温度，输入电压等)，使用COMSOL电-热-力耦合分析软件来对功率电子器件进行多物理场耦合分析，对仿真结果进行分析，找到热量集中部位，若得到的关键失效部位与步骤C得到的关键失效部位一致，则步骤C得到的关键失效部位为准确的分析结果；否则需要进一步研究(非本发明的主要内容，在本发明中不做详细阐述)。
具体步骤如下：
D01：在导入有限元仿真软件COMSOL并确认耦合方程后，定义单元，划分网格，施加边界约束。
表4 IGBT模块的几何尺寸信息
对IGBT进行网格划分的时候，为了减小COMSOL仿真软件的工作量，缩短仿真时间，对键合点处进行比较细的网格划分，对基板等地方则进行比较粗略的网格划分。
IGBT模块各个部分的材料不同，在对各个部分进行材料填充的时候，除了选择材料类型之外，部分材料属性也要进行设置，如表5所示。
表5 IGBT模块的材料属性
D02：在模块输入端输入电流I＝5.69A，在模块输出端接地。将工况环境温度设为293.15K，铜基板下表面的温度设为293.15K。
D03：在IGBT模块有限元模型施加约束与温度载荷的基础上，对该问题进行求解。下面给出IGBT模块的各种应力分布云图。
经过仿真可以看到IGBT模块热场情况，其温度分布见图10，等温线和热量流向见图11。从图中可以看出键合线与IGBT芯片结合点处温度较高，最高温度约为420K。因此，此处比较脆弱，容易发生热失效。通过等温线图和热量流向可知，IGBT模块内部的温度从下到上逐渐升高，热量的流动方向主要为从下向上垂直传递；因此通过材料结构的角度分析得到的引起功率电子器件失效的第二关键失效部位为键合线剥落；通过验证与步骤C得到的第一关键失效部位一致，则表示所找到的关键失效部位是正确的。
本发明研究了功率电子器件电气物理特征和具体模型结构在内外在因素影响下的变化，首先，通过了解功率电子器件内部结构，提出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，由此设计等效电路，改进了功率电子器件的动态电气模型，能够真实描述功率电子器件的行为。再者，通过改变部分参数分析器件外特性对功率电子器件模型参数变化的敏感程度，找出能够显著影响器件动态特性的主导参数，进而找出关键失效部位；使用这种方法从电气特性寻找功率电子器件的失效部位，简便准确，为之后的研究奠定基础。最后，在此前的基础上提出使用COMSOL电-热-力耦合分析软件对功率电子器件进行多物理场耦合分析，与之前做过的电测试分析比较，得出更为准确的分析结果。
本发明结合功率电子器件电气物理特征和多应力耦合仿真，提出了更为准确的失效分析方法，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。但是，本发明不限于功率电子器件的失效分析，可以进一步应用至其他各类集成电子器件的失效分析中。不仅如此，本发明对集成电路产品的设计、质量鉴定、可靠性测试等方面均有一定的工程实际意义。

Claims (7)

1.基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，其特征在于，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观察，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。
3.根据权利要求2所述的基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，其特征在于，步骤B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来设计等效电路。
4.根据权利要求3所述的基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，其特征在于，步骤C具体包括以下分步骤：
C1：提取功率电子器件等效电路中的模型参数，包括：栅极电容、栅极内阻、剩余载流子寿命；
C2：设计动态测试电路，通过调整等效电路具体部位的参数，观察键合线剥落与未断裂两种情况下集电极电压在开通过程中的三个阶段的变化；
C3：根据键合线剥落与未断裂两种情况下集电极电压在开通过程中的三个阶段的变化，得到衡量功率电子器件是否产生故障的特征量；
C4：根据特征量初步确认引起功率电子器件失效的第一关键失效部位。
5.根据权利要求4所述的基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，其特征在于，步骤C3所述特征量为：栅极电压特性。
6.根据权利要求5所述的基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，其特征在于，步骤C4所述关键失效部位为键合线剥落。
7.根据权利要求4或5所述的基于故障物理的功率电子器件失效分析方法，其特征在于，步骤D还包括：通过改变输入变量的取值，使用COMSOL仿真来对三维模型进行多物理场耦合分析；所述输入变量为温度与输入电压。
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