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[摘 要]本文分析了半导体原件可靠性的意义、内容以及以铜-炭纤维复合材料作为半导体元器件基板的应用。
[关键词]半导体；元件；可靠性；铜-炭纤维复合材料
中图分类号：TP475 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）36-0182-01
1.前言
随着科技水平的发展进步，半导体技术越来越先进，并在各个领域广泛应用。
2.提升半导体元器件可靠性的意义
随着国防任务和科研任务的发展和进步，电子设备及其系统也日益复杂化。半导体器件的可靠性与所用元器件的总量关系非常大，数量越多，相应的问题就可能出现在可靠性上。例如，在一个系列系统中，如果一个组件发生故障，将导致整个系统发生故障。因此，半导体器件的可靠性在于其使用产品可靠性的组件，使用更高器件可靠性的半导体器件的更多组件。半导体元件是否具有高可靠性直接取决于使用形式。随着半导体元件使用量的增加，使用条件越来越复杂，该设备可能不得不面对高低温，高低压，振动和冲击，辐射等恶劣环境条件下元器件的可靠性要求越高。例如，在导弹系统中，如果电子设备的可靠性得不到保证，发射过程中的失败将导致巨大的经济损失和不可估量的政治后果。
3.半导体元器件可靠性的内容
设备的可靠性必须经历从概念设计到报废使用的整个过程。影响因素包括技术，组织管理，设计理念，生产和使用。因此，从器件的设计阶段就有必要为可靠性奠定基础。半导体元件的可靠性是在某些条件和条件下实现预定功能的能力。它对指定的条件，时间和监管职能有很大的影响。通常，我们可以使用“概率”在特定时间内测量半导体元件。完成预期功能的能力。半导体器件的可靠性应该从设计开始就进行控制。应在设备制造后对样品进行筛选，测试其可靠性，并对设备进行初步分析，条件调查，外观检查，特征检测和故障模式分类。，失效机理分析，电气分析，显微分析和先进设备分析，找出失效模式和机理，制定纠正措施，反馈并改进设备设计，生产和测试。
4.铜一炭纤维复合材料
铜一炭纤维复合材料是一种很有特色、很有发展前途的功能复合材料，在电力半导体器件基板应用中有较高的经济效益。我校材料系应美芳、王成福对此作了多年的研究。他们利用炭纤维的平均线热膨胀系数为负值，而铜的导电热性能良好的特性，采用炭纤维连续镀铜后排布成双向正交方式，在氢气保护下热压成含炭纤维体积含量为40%的、平均线性膨胀系数为6x10-8℃的复合材料，并用其作为半导体支撑电极，使用在kp50型普通晶闸管，其主要性能指标均达到要水。
5常见的失效分布及失效分析
5.1失效分布
（1）早期失效期
这一阶段有很高的失效率，但会伴随时间增加而下降。失效的主要原因是设计和制造过程中的缺陷，比如原材料存在缺陷、制造工艺质量较差或不严格的质量检验等。因此，在半导体元器件交付使用之前，就要进行合理筛选，把早期就已失效的产品进行淘汰。
（2）偶然出现的失效期
在这个阶段，半导体元器件失效的发生存在隨机性，这时期内较接近于正常数，失效率较低，因此被称为偶然失效期，也是产品最好的工作阶段。
（3）耗损失效期
到此阶段，半导体元器件由于磨损、老化、疲劳及损耗等整体性原因，造成失效率提高，并伴随时间的增加而逐渐提升。
5.2失效分布指标显示
（1）浴盆曲线
半导体元件故障率与时间的关系是曲线分布，称为浴盆曲线。浴缸曲线是半导体元件失效规律的更准确的总结。对于不同类型，制造工艺，生产批次和工作要求，失效规律也不同。这些差异只是体现在个人参数的功能上，给实际工作带来更大的方便。
（2）威布尔分布
在半导体元件的失效分布中，威布尔分布具有更多的应用，可以反映失效函数，失效密度和失效率函数。在计算公式中，它包括形状参数，位置参数和比例参数，其中形状参数是最重要的。它表明了一批产品的分散性指标，能够具体反映早期失效，失效意外期和消耗损失期。位置参数可以反映故障分布的起点。
5.3失效分析
对于大功率半导体故障设备，必须分析故障原因，并在纠错之后提高可靠性。通过仅对成品进行筛选，更主动的方法是及早了解设备的故障模式和机制，并制定验收和使用规范。在产品选择，整机规划和生产可靠性计划方面，必须对半导体组件进行分析。完整的故障分析包括：现场原始记录，故障模式识别，故障表征，故障机制假设，验证和纠正措施的实施。半导体元件的失效模式模型是一种使用失效物理原理分析和预测可靠性的方法。它定量地表达了各种失效模式的统计数字和总失败的比例。
6.可靠性试验及可靠性筛选
可靠性试验对被测样品施加一定的外力，在外力的作用下，观察其性能是否稳定，结构状态是否完整或变形，以及是否识别失效。大功率半导体元件的可靠性测试分类如下：根据测试的目的，分为甄别测试，评估验收测试和例行测试；根据测试项目，分为环境测试和寿命测试。可靠性筛选是通过各种方法去除不符合要求的组件，并消除合格的组件。生产最终产品或半成品后应立即进行筛选。理想的筛选条件和压力应该是这样的，即筛选后装置的失效率处于桶曲线的早期失效结束和意外失败开始的拐点处。半导体元件的可靠性筛选是确保制造产品更高可靠性的有效措施。
7.键合设备的发展
引线键合机的硬件性能提出了更高的要求，这也加速了设备制造供应商。相关的工艺部门不断努力改进以满足要求。导线键合的速度和准确性不断提高，对生产设备的能力限制构成严峻挑战。目前设备的主要特点是：控制精度高，加速度高（>15G），制造精度高，可靠性高。现有的运动平台设计理论和运动控制技术机制不能满足焊缝设备调整和定位精度的要求，因此有必要研究新的运动设计和控制方法，以实现稳定，快速，准确的定位。
8.引线键合工艺的发展
垫键合点间距的大幅减小，从而提高了器件焊接精度的准确度，同时减少了工艺窗口并提高了分立半导体器件对敏感粘附参数的粘附性。因此，研究设备的焊接，粘接，特别是各种具有稳定质量的焊接硬件的精度已逐渐成为人们关注的焦点。封装是确保最终IC电气，光学，热学，机械性能，芯片输入和输出密度增加，加速步伐的趋势，技术难度不断提高，半导体制造成本比例不断增加的关键环节，已成为制约半导体产业发展的瓶颈之一。半导体芯片的内部和外部引脚（芯片和外部引脚）之间的连接的重要作用是整个后端封装过程的关键。由于许多讨论和预测，导线键合和倒装芯片键合的两个代表在半导体封装之间存在着关系，以及它们各自的发展趋势和时间。不用说，倒装芯片封装输入/输出的数量在增加，对内部连接的需求在增加，并且电连接球引线的趋势。形成倒装芯片电连接的最短路径，相应的电阻，电感小的方法，适应高性能集成电路封装。然而，倒装芯片和引线键合在短时间内不可能完全取代后者。
9.结束语
总之，半导体元器件的使用以基板作为基础，材料对基板性质有一定程度影响。因此，要做好质量控制。
参考文献
[1]王文知，井红旗，祁琼，等.大功率半导体激光器可靠性研究和失效分析[J].发光学报，2017，（2）：165-169.
[关键词]半导体；元件；可靠性；铜-炭纤维复合材料
中图分类号：TP475 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）36-0182-01
1.前言
随着科技水平的发展进步，半导体技术越来越先进，并在各个领域广泛应用。
2.提升半导体元器件可靠性的意义
随着国防任务和科研任务的发展和进步，电子设备及其系统也日益复杂化。半导体器件的可靠性与所用元器件的总量关系非常大，数量越多，相应的问题就可能出现在可靠性上。例如，在一个系列系统中，如果一个组件发生故障，将导致整个系统发生故障。因此，半导体器件的可靠性在于其使用产品可靠性的组件，使用更高器件可靠性的半导体器件的更多组件。半导体元件是否具有高可靠性直接取决于使用形式。随着半导体元件使用量的增加，使用条件越来越复杂，该设备可能不得不面对高低温，高低压，振动和冲击，辐射等恶劣环境条件下元器件的可靠性要求越高。例如，在导弹系统中，如果电子设备的可靠性得不到保证，发射过程中的失败将导致巨大的经济损失和不可估量的政治后果。
3.半导体元器件可靠性的内容
设备的可靠性必须经历从概念设计到报废使用的整个过程。影响因素包括技术，组织管理，设计理念，生产和使用。因此，从器件的设计阶段就有必要为可靠性奠定基础。半导体元件的可靠性是在某些条件和条件下实现预定功能的能力。它对指定的条件，时间和监管职能有很大的影响。通常，我们可以使用“概率”在特定时间内测量半导体元件。完成预期功能的能力。半导体器件的可靠性应该从设计开始就进行控制。应在设备制造后对样品进行筛选，测试其可靠性，并对设备进行初步分析，条件调查，外观检查，特征检测和故障模式分类。，失效机理分析，电气分析，显微分析和先进设备分析，找出失效模式和机理，制定纠正措施，反馈并改进设备设计，生产和测试。
4.铜一炭纤维复合材料
铜一炭纤维复合材料是一种很有特色、很有发展前途的功能复合材料，在电力半导体器件基板应用中有较高的经济效益。我校材料系应美芳、王成福对此作了多年的研究。他们利用炭纤维的平均线热膨胀系数为负值，而铜的导电热性能良好的特性，采用炭纤维连续镀铜后排布成双向正交方式，在氢气保护下热压成含炭纤维体积含量为40%的、平均线性膨胀系数为6x10-8℃的复合材料，并用其作为半导体支撑电极，使用在kp50型普通晶闸管，其主要性能指标均达到要水。
5常见的失效分布及失效分析
5.1失效分布
（1）早期失效期
这一阶段有很高的失效率，但会伴随时间增加而下降。失效的主要原因是设计和制造过程中的缺陷，比如原材料存在缺陷、制造工艺质量较差或不严格的质量检验等。因此，在半导体元器件交付使用之前，就要进行合理筛选，把早期就已失效的产品进行淘汰。
（2）偶然出现的失效期
在这个阶段，半导体元器件失效的发生存在隨机性，这时期内较接近于正常数，失效率较低，因此被称为偶然失效期，也是产品最好的工作阶段。
（3）耗损失效期
到此阶段，半导体元器件由于磨损、老化、疲劳及损耗等整体性原因，造成失效率提高，并伴随时间的增加而逐渐提升。
5.2失效分布指标显示
（1）浴盆曲线
半导体元件故障率与时间的关系是曲线分布，称为浴盆曲线。浴缸曲线是半导体元件失效规律的更准确的总结。对于不同类型，制造工艺，生产批次和工作要求，失效规律也不同。这些差异只是体现在个人参数的功能上，给实际工作带来更大的方便。
（2）威布尔分布
在半导体元件的失效分布中，威布尔分布具有更多的应用，可以反映失效函数，失效密度和失效率函数。在计算公式中，它包括形状参数，位置参数和比例参数，其中形状参数是最重要的。它表明了一批产品的分散性指标，能够具体反映早期失效，失效意外期和消耗损失期。位置参数可以反映故障分布的起点。
5.3失效分析
对于大功率半导体故障设备，必须分析故障原因，并在纠错之后提高可靠性。通过仅对成品进行筛选，更主动的方法是及早了解设备的故障模式和机制，并制定验收和使用规范。在产品选择，整机规划和生产可靠性计划方面，必须对半导体组件进行分析。完整的故障分析包括：现场原始记录，故障模式识别，故障表征，故障机制假设，验证和纠正措施的实施。半导体元件的失效模式模型是一种使用失效物理原理分析和预测可靠性的方法。它定量地表达了各种失效模式的统计数字和总失败的比例。
6.可靠性试验及可靠性筛选
可靠性试验对被测样品施加一定的外力，在外力的作用下，观察其性能是否稳定，结构状态是否完整或变形，以及是否识别失效。大功率半导体元件的可靠性测试分类如下：根据测试的目的，分为甄别测试，评估验收测试和例行测试；根据测试项目，分为环境测试和寿命测试。可靠性筛选是通过各种方法去除不符合要求的组件，并消除合格的组件。生产最终产品或半成品后应立即进行筛选。理想的筛选条件和压力应该是这样的，即筛选后装置的失效率处于桶曲线的早期失效结束和意外失败开始的拐点处。半导体元件的可靠性筛选是确保制造产品更高可靠性的有效措施。
7.键合设备的发展
引线键合机的硬件性能提出了更高的要求，这也加速了设备制造供应商。相关的工艺部门不断努力改进以满足要求。导线键合的速度和准确性不断提高，对生产设备的能力限制构成严峻挑战。目前设备的主要特点是：控制精度高，加速度高（>15G），制造精度高，可靠性高。现有的运动平台设计理论和运动控制技术机制不能满足焊缝设备调整和定位精度的要求，因此有必要研究新的运动设计和控制方法，以实现稳定，快速，准确的定位。
8.引线键合工艺的发展
垫键合点间距的大幅减小，从而提高了器件焊接精度的准确度，同时减少了工艺窗口并提高了分立半导体器件对敏感粘附参数的粘附性。因此，研究设备的焊接，粘接，特别是各种具有稳定质量的焊接硬件的精度已逐渐成为人们关注的焦点。封装是确保最终IC电气，光学，热学，机械性能，芯片输入和输出密度增加，加速步伐的趋势，技术难度不断提高，半导体制造成本比例不断增加的关键环节，已成为制约半导体产业发展的瓶颈之一。半导体芯片的内部和外部引脚（芯片和外部引脚）之间的连接的重要作用是整个后端封装过程的关键。由于许多讨论和预测，导线键合和倒装芯片键合的两个代表在半导体封装之间存在着关系，以及它们各自的发展趋势和时间。不用说，倒装芯片封装输入/输出的数量在增加，对内部连接的需求在增加，并且电连接球引线的趋势。形成倒装芯片电连接的最短路径，相应的电阻，电感小的方法，适应高性能集成电路封装。然而，倒装芯片和引线键合在短时间内不可能完全取代后者。
9.结束语
总之，半导体元器件的使用以基板作为基础，材料对基板性质有一定程度影响。因此，要做好质量控制。
参考文献
[1]王文知，井红旗，祁琼，等.大功率半导体激光器可靠性研究和失效分析[J].发光学报，2017，（2）：165-169.