振动环境下VDMOS器件可靠性研究

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hermitjin
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兼有双极晶体管和普通MOS器件优点的功率VDMOS器件,具有输入阻抗高、损耗小、开关速度快、频率特性好等特点,广泛应用于民用、军用、电子工业等领域。由于振动环境是影响产品质量和可靠性的重要因素,因此,研究振动环境对VDMOS器件可靠性的影响至关重要。本文对VDMOS器件进行振动试验,采用ANSYS软件模拟振动环境下器件的应力分布,研究器件失效机理。本文利用电动振动台对国内外三种不同型号的VDMOS器件进行变频和定频振动实验,利用XJ4832大功率半导体晶体管特性图示仪测试器件VDS-ID特性,利用电子显微镜观察器件外壳和内部芯片表面变化;运用ANSYS有限元模拟软件,建立VDMOS器件的三维模型,模拟器件在振动环境下振动应力分布,分析器件失效模式与失效机理。实验结果表明:变频振动中,当变频振动频率对应的振动应力达到器件内部材料断裂强度时,三种型号的VDMOS的ID(max)减小的幅度均会超过初始值的20%;定频振动中,当振动应力接近但没有达到器件的断裂强度时,随着振动时间的增加,因振动疲劳三种型号的器件VDS-ID特性均发生退化。振动使器件单胞各层产生应变,随着振动频率和时间的变化,当应变达到材料的断裂强度时,芯片产生微裂纹,并逐渐扩展到多个单胞,同时引出脚易断裂,导致器件VDS-ID特性退化。在测试VDMOS器件在振动环境下的VDS-ID特性时,由于所加电压与三种型号的VDMOS各自的极限电压相比很小,所以排除所加电压对器件VDS-ID特性的影响。模拟结果表明:振动环境下,存在空洞的粘结层与芯片交界处,空洞处对应的芯片受到应力较大,导致粘结层微变形、芯片产生微裂纹;外部引脚所受的应变较大,在振动应力的反复作用下,引脚易发生疲劳性断裂现象,与实验结果吻合。实验和模拟结果为功率器件的可靠性研究提供了理论与实验依据。
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