8.4. ВИДЫ И МЕХАНИЗМЫ ОТКАЗОВ СПП

Раздел теории надежности, посвященный изучению физикохимических процессов, ведущих к отказам изделий, принято называть физикой отказов. Важно понимать, что только это направление ведет к кардинальному повышению надежности СПП. в самом деле, только изучив механизм отказа (т. е. поняв и изучив причину возникновения какого-либо дефекта и процесс его эволюции до отказа), можно принять меры, предотвращающие его появление и развитие. К сожалению, изучение физики отказов в нашей стране сильно отстало от передового мирового уровня, а в области отечественного силового полупроводникового приборостроения оно и совсем находится в зачаточном состоянии. Это вызвано следующими обстоятельствами. Изучение физики отказов требует привлечения сложного и дорогостоящего оборудования (например, растровая электронная микроскопия, электронно-лучевое микрозондирование, оже-спектрометрия, вторично-ионная масс-спектроскопия, спектрометрия рассеянных ионов и др. [8.69]). В табл. 8.8 [8.70] приведены краткие сведения о старых и новых методах физики отказов.

Заметим, что в табл. 8.8 не вошли такие методы, как [8.71] рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, сканирующая акустическая микроскопия, инфракрасная спектроскопия, жидкокристаллическая индикация и ряд других.

Вторым обстоятельством, которое следует иметь в виду, является существенное различие между приборами силовой электроники и микроэлектроники.

Таблица 8.8. Краткие сведения о старых и новых методах анализа отказов

Для рассматриваемого вопроса важнейшим оказывается то, что в микроэлектронике все процессы работы элементов сосредоточены на поверхности или в тонком слое вблизи нее, что и позволяет успешно применять такие методы, как растровая и просвечивающая микроскопия, оже-микроскопия и т. д. Физика работы СПП охватывает несравненно более толстые слои, что многократно усложняет проблемы их физического исследования. Таким образом, из-за недостаточной разработанности исследований в области физики отказов СПП наше рассмотрение механизмов отказа в данном параграфе будет носить феноменологический (и, безусловно, поверхностный) характер.

Отказы в объеме СПП вызываются имеющимися и возникающими в процессе работы дефектами и неоднородностями материала. Они бывают следующих видов [8.72]:

1) точечные — вакансии, междоузельные атомы и др.

2) одномерные - дислокации;

3) двумерные — границы зерен, дефекты упаковки и

4) трехмерные — пустоты, включения и др.

Есть основания считать, что точечные дефекты из-за их малости оказывают наименьшее влияние на процессы деградации. Дислокации оказывают на параметры СПП и положительное, и отрицательное действие [8.73], в частности они могут влиять на ВАХ и время жизни. Двумерные и трехмерные дефекты, как правило, приводят к «мягким» ВАХ, т. е. к увеличению , и уменьшают время жизни. В [8.74] показано, что причиной снижения напряжения пробоя у высоковольтных СПП являются не дефекты, а локальное уменьшение удельного сопротивления, вызываемое наличием неконтролируемых примесей типа магний, сера, железо. Конкретная кинетика процессов, приводящих от некоторой неоднородности или от того или иного дефекта к отказу, к сожалению, неизвестна. В объеме она может быть связана с движением дислокаций, с рекристаллизацией и распадом твердых растворов и т. п. На поверхности она может быть связана с перемещением ионов различных примесей под действием сильных электрических полей. Состояние поверхности СПП очень чувствительно к наличию различного рода примесей, этом многие загрязнения могут находиться на стенках корпуса, на поверхности термокомпенсатора и прокладок и т. п., что не позволяет выявить их при контроле ВАХ самих структур.

Для ознакомления с физикой явлений на поверхности СПП рекомендуем обратиться к [8.75]. Отметим, что отказы в объеме и на поверхности могут происходить как в циклических, так и в нециклических режимах работы. Что касается отказов в области контактных соединений, то они более характерны для циклических режимов, при этом для режима термоциклирования в случае СПП паяной конструкции механизм отказов известен давно [1.2]. Дело в том, что в этом случае СПП представляет собой сборку из нескольких слоев различных материалов с различными коэффициентами линейного расширения. Попеременное нагревание и охлаждение СПП приводит к тому, что припой испытывает значительные механические нагрузки в области пластических деформаций, откуда и возникает выражение типа (8.6).

Таблица 8.9. Данные по причинам отказа

В случае СПП прижимной конструкции механизмы отказов контактных соединений в СП пока не вполне ясны. В работе [8.7] предложено по меньшей три таких механизма: истирание, усталостная деструкция и залипание.

По-видимому, больше всего публикаций посвящено иучению отказов в режиме импульсной циклостойкости (эффект ). Однако механизмы отказов в этом режиме нельзя еще считать установленными. В табл. 8.9 кратко суммированы данные по причинам отказов СПП при воздействии больших . Анализ показал, что в большинстве из них изучаются не механизмы отказов, а те явления, которые происходят с электрическим режимом и прибором, когда уже произошла полная или частичная деградация какого-либо параметра СПП.

Возможной физической причиной отказов тиристоров в длительных РЭ при высоких значениях могут быть усталостные явления в кремнии, вызванные локальными термоциклами [8.43]. В работе [8.79] предложена другая модель, по которой зарождение и рост микротрещин происходят по механизму эффекта Ребиндера, а уже далее рост этих микротрещин приводит к отказам. Что же касается режима токовых перегрузок, то выше уже отмечалось, что физические процессы, приводящие к отказам при многократном воздействии тока допустимой амплитуды, не изучены.