半导体器件的可靠性精选(九篇)

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半导体器件的可靠性

第1篇：半导体器件的可靠性范文

行业进入黄金发展期

大功率半导体器件主要使用在输电、变电和配电行业，电机驱动行业，钢铁及金属冶炼行业，轨道交通行业，大功率电源行业，电焊机行业等领域，其需求约占大功率半导体市场需求的90％以上。目前，中国大功率半导体器件产业进入了一个黄金发展期，国家的经济发展、节能减排的驱动、产业政策的扶持、战略安全的需要、全球化趋势等因素对大功率半导体的市场需求带来积极影响，促使大功率半导体器件产业持续、快速、稳定发展，产业规模不断壮大。

根据CCID数据统计，2008年中国的大功率半导体器件市场规模达到了51.35亿元。中国大功率半导体器件市场销售额近年来保持20％的年均复合增长率，到2010年市场销售额将达到75.67亿元。

多年积淀全方位优势

公司通过不懈努力，已成长为我国销量最大的大功率半导体器件供应商，并逐步确立了诸多竞争优势：

1、技术和质量优势

公司通过持续的技术创新，积累了诸多具有自有知识产权的产品设计和制造技术，掌握完整的前道(扩散)、中道(芯片制程)、后道(封装测试)技术。公司建有省级技术中心，拥有130人的技术团队；公司技术人员累计参与起草11项国家或行业标准。

公司建立了产品设计、生产、验证、销售的全面完整的质量控制体系。公司是国内少数具有功率半导体器件全面综合试验能力的企业之一，确保产品的品质和可靠性，满足IEC标准的要求。

2、渠道和品牌优势

公司在国内拥有约850家直营客户(整机设备制造商)，其中75家大客户为电力电子应用领域的龙头和骨干企业。目前公司主导产品在国内连续保持年销售量第一位，销售收入前三位，其中在感应加热应用领域的市场占有率超过50％，保持全国第一。

公司已根据客户的属性和服务需求，建立了大客户服务、一般客户直营服务和经销商服务的多层次服务体系。公司连续4届获省“精品名牌”称号，并在多个领域具有很高的美誉度和知名度，形成良好的品牌效应。

3、规模成本优势

公司建成目前国内生产能力最大和最完整的大功率半导体器件生产线，具有年生产器件80万只的能力。2008年公司销售晶闸管46万只，模块31万只，是中国大功率半导体器件主要的提供者之一。借助在大功率半导体器件行业积累的经验与技术，公司通过技术改造扩大生产规模，改进工艺流程，降低生产成本；另一方面，由于产品品种规格齐全，客户分布范围广泛，为生产组织的集约化和不同品种加工过程的综合互补调配提供了空间，有利于提高产品良品率，也提高了产品产量，降低了生产成本。

募资项目提升技术产能

公司本次募集资金将用于125万只大功率半导体器件技术升级及改扩建，项目总投资额2.65亿元。投资此项目的主要目的还是壮大主营业务，一是现有产品的技术质量升级和扩产，产品质量水平接近或达到国际先进水平；二是建立研发中心，开发高端产品，如：大功率5″／3，5KV快速晶闸管器件、6500V高压晶闸管、FRD方片工艺、IGBT封装测试技术、智能模块IPM等；三是建立全国技术服务支持中心，提升对客户的服务能力。

第2篇：半导体器件的可靠性范文

关键词：节能；电源管理；功率半导体；智能电网

随着环保问题日益引起重视，低碳、环保之词充斥于各大媒体，引发了一系列关于环保问题的讨论。其实。在我们讨论环保问题之时，必须明确的一个前提是不影响现阶段的生活状态。试想，如果让人们强调环保以至于回到过去“钻木取火”“日出而作日落而息”的状态，估计没多少人会继续坚持将环保的口号喊下去。因此，所谓环保，就是在现有生活水准基础上尽可能减少对地球环境的破坏，直观点就是尽可能减少不可再生能源的应用，以缓解二氧化碳给气候带来的压力。然而人类现代化生活所需要的正常能源又是不可或缺的，因此必须在解决必要能源需求的基础上实现环保的要求。

开源节流，从来都是相辅相成的两个方面，对于环保而言同样如此。开源，就是充分开发如太阳能、风能、水利等可再生资源，而节流则是在相同生活需求的前提下，尽量降低能源损耗。对于半导体产业而言，环保的责任就是通过尽可能降低半导体产品的电力消耗以及由半导体产品带来的电力节省来实现能源消耗的节流。

BP世界能源报告指出，2007年全球能源消耗的三分之一来自于电子系统，累计耗电量超过17：IM Gwh(17.1兆千瓦时)，这个数字还将以3％左右的速度不断攀升。2007年，中国电子系统的能源消耗超过2.8兆千瓦时，仅次于美国，如果通过半导体技术将现有电能消耗节约5％，就相当于每年节省出5个三峡水电站的发电总量。

半导体的节能趋势

无论从半导体厂商还是电源制造商的观点来看(往往两者有很多共同点)，今后的主体发展趋势仍将集中在进一步提高转换效率，提升功率密度，高可靠性及更低成本。电源的效率几乎是电源技术与应用中永恒的主题，随着全球经济的一体化和对节能环保的关注，更高的转换效率意味着对能源的有效利用和减少能耗开支。以马达驱动为例，近年来逐渐得到普及和应用的电力电子变频调速技术就变革性地改变了全世界工业和家庭用的交流电动机的使用，并极大程度地节约能源。配合液晶显示技术而来的背光源电力电子应用完全改变了传统彩色电视机的市场、产品和消费。

Microsemi功率产品部应用工程经理钱昶认为，随着电源系统功率处理能力的不断上升和对系统体积不断减小的要求，功率密度变成未来发展的重要课题：不同于早期的体积重量要求主要集中在航天军工等特殊领域，功率密度现在大量的民用产品和应用中也占据了举足轻重的地位。便携式电脑和手持移动通信设备就要求有极高的功率密度，使得设备本身变得更小超薄。另外，在中等功率范围的应用中。例如集中式的太阳能逆变器和工业电焊机，设备体积和重量也是重要的考虑因素。

高可靠性和成本常常是一对矛盾：在提高可靠性的同时，将会牵涉到使用更昂贵的材料或更多的元器件与电路。如何在此二者之间找到最佳的平衡和折衷也是未来电源技术与市场发展的主题之一。在通信电源领域，器件工作的可靠性历来受到制造商和终端客户的重视。半导体和系统的可靠性越高，生产厂商所承担的产品保证所带来的费用就越低，而且同时降低了用户在设备维护方面的人工与成本。在可靠性与成本方面突破性的发展将依赖于半导体器件的新工艺技术，以及无源元件，特别是磁元件和电容的材料，设计和制造的进展。

直面设计挑战

帮助工程师提升电源设计效率，一直是半导体厂商与电源系统工程师最关注的问题。进一步提高能效依赖于半导体器件，电路拓扑结构和封装技术的新发展或优化选取。

首先，从器件方面，功率型金属氧化物场效应管(MOSFET)一直以来在小功率应用方面占主导地位。沟道栅极技术已普遍于低压MOSFET以减小通态电阻从而降低损耗。而在未来几年里，淘道栅极技术有向较高电压MOSFET推广的趋势。所以这对于300V以上的功率型MOSFBT管是一个新变化。近些年来超结(SuperJunction)MOSFET发展也很快，对应于传统的500V以上的平面MOSFET在通态电阻和电流密度方面具有竞争力，但是它的动态开关特性还是弱于平面MOSFET，从而使高频高电压应用仍然偏向传统型的MOSFET。另外宽禁带MOSFET器件。例如氮化镓(GaN)和碳化硅(sic)MOSFET在研发中不断取得的成就也表明这些新型的复合半导体器件会逐步走向商用化，极大提升系统能效，改变硅半导体目前在市场上的一统局面。

其次，工程师可以灵活运用各种各样的拓扑结构以提高系统效率。像现在通信电源和服务器电源设备中常用的零电压开关相移式全桥结构就是新拓扑加新控制的典范。在太阳能功率变换中，三电平二极管钳位逆变器具有低成本、高效率的特点，作为一种新兴的电路拓扑结构能在特定应用场合下提高能效。

最后，优化半导体器件或电路的封装也是提高系统能效的一种积极手段。关于这点常常被人们忽视。优化的封装可以直接改善电路中的杂散参数，例如寄生电感，从而优化电特性。实践表明紧凑的封装不仅减小电路体积，更重要的是能减小开关过程中的电压电流尖峰。使用相对低电压等级的器件将有利于减少损耗。另外，优化的封装可改善系统散热，以减低电路或器件的工作温度，从而进一步降低损耗。

概括地说，从系统角度出发，认真选择与优化器件，电路与封装配合优化的控制方法就一定能最大限度地降低损耗，提升系统能效。

凌力尔特公司电源产品市场总监Tony Armstrong介绍，任何系统中的功耗都必须以两种方式解决，首先，跨整个负载电流范围最大限度地提高转换效率，其次，降低DC／De转换器在所有工作模式时的静态电流。因此，为了在降低系统功耗方面发挥积极作用，电源转换和管理Ic必须提高效率，也就是降低功耗，并在轻负载和休眠模式具有非常低的功耗水平。特别是很多大功率系统都采用多种单阶转换或两阶转换方法的组合来应对有关的热量问题。然而，系统设计师面临着一个以哪种方式来满足特定系统需求的难题。电压不断下降的同时提高电流的需求日益增加，这持续促进了很多这类大功率系统的开发。在这一领域取得的大多数进步都可以追溯到电源转换技术领域的改进，尤其是电源Ic和电源半导体的改进。总之，这些组件允许在对电源转换效率影响最小的情况下提高开关效率，对提高电源性能做出了贡献。这是通过降低开关和接通状态的损耗、同时允许高效率去除热量而得以实现的。不过，向较低输出电压迁移给这些参数施加了更大的压力，这反过来又导致了极大的设计挑战。

节能方法大家谈

当能效标准逐渐成为电子产品新的紧箍咒，各大电源半导体厂商不得不面对电源管理技术的全新挑战。

节能减耗是电源技术发展的主要趋势和方向。目前的国际国内标准对待机功耗，负载效率提出严格要求，比如EnergyStar、EPA等，对于半导体厂家来说要求提供更为有效方案来节能减耗。数字电源是另外一个发展趋势，其具有传统模拟所不具备的许多优势，在通信电源，新能源等将会得到更多应用。德州仪器高级技术市场开拓工程师刘学超认为，对于电源半导体供应商来讲，主要是通过新的控制方式和模式转换来帮助提高效率降低功耗，在电源领域未来比较重要的发程热点包括谐振控制技术、低待机功耗、超薄电源、LED驱动电源和数字电源。

半导体制造商正在开发多种创新技术，如全新的控制方法，可以省去附加的外部组件，从而也可以降低功耗。同时，虽然效率主要由所选择的外部功率级设计和开关频率来决定，但是半导体组件能够减少I2R损耗。飞兆半导体亚太区市场行销及应用工程副总裁蓝建锎认为，主要发展趋势和市场需求将会集中在提高功率转换效率、组件集成度和降低待机功耗等方面。同步整流、交错式拓扑和数字通信等应用不断增多，未来数年，这三个方面将给电源和功率管理方式带来重大的影响。

美国国家半导体(Ns)亚太区资深市场经理吴志民介绍。NS一直在提高电源产品的易用性和功率密度方面进行不懈的努力：客户希望减少在电源设计方面的工作量，因此倾向于选择易于使用的电源技术。电子设计业的专业化分工日趋明显，许多客户并非电源管理技术的专家，他们希望电源厂商提供容易使用的电源模块，并且能够提供相应的设计指导来加快产品设计进程。另一方面，由于现在的电子越来越朝着“轻薄”方向发展，供电系统占用越来越少印制电路板的板面空间，因此电源管理解决方案的功率密度必须不断提高。美国国家半导体目前有多个办法可以解决这些问题，例如采用更高的开关频率、更先进的封装技术以及更精密的生产工艺。

安森美半导体电源及便携产品全球销售及营销高级总监郑兆雄认为，主体趋势将是以创新技术来帮助电子产品提高能效，进一步推动绿色节能趋势。举例来说，目前液晶电视市场快速发展，就其背光源而言，仍是传统的冷阴极荧光灯(ccFL)占主导地位；新兴的发光二极管(LED)背光源与之相比，色彩表现更优势，大幅降低能耗，且更加环保，但碍于成本因素，目前市场渗透率还相对较低，不过，LED背光源的液晶电视市场将在今后几年内赶上及超过CCPL背光源。除了液晶电视背光应用，LED通用照明市场也将快速发展，随着应用规模的扩大，将进一步从商业应用向主流消费及住宅市场渗透，让用户更广泛地享受到绿色节能的好处。

更高层面的机遇

第3篇：半导体器件的可靠性范文

关键词：D类数字功放；NPWM调制；高效率H桥；VFC2反馈控制

中图分类号：TN722

1 音频功放技术现状

目前A类、B类和AB类模拟功放在市场上仍然占据着主要地位，这类功放工作在线性状态，通常不采用感性器件，且在线性电路中，输出与输入保持着严格的比例关系，因此线性电路一般能得到很好的保真度，即极小的失真度。但是，既然晶体管始终工作在线性区，那么必将持续的产生较大的功率损耗，同时导致整个电路效率的大幅下降。低的效率会带来以下问题：第一、功放管产生大量的热量，影响自身可靠性；第二、体积庞大，难以实现小型化；第三、电能消耗大，运行成本高。因此，提高功放效率成为摆在人们面前的重要课题。

D类功放，也被称为开关类功放和数字功放。这类功放中采用了容性和感性器件，理论上它们不损耗功率，同时抛弃了阻性器件和工作在线性区的半导体器件，加入了工作在开关状态的半导体器件。这种半导体器件不是完全导通就是完全截止，在完全导通且流过较大电流的状态下，半导体器件上的压降为零，在完全截止的状态下，半导体器件上的电流接为零，这种工作模式称为“零电压，零电流模式”，在理论上能够实现零功率损耗。

实际使用中，由于半导体器件的导通阻抗和漏电流产生，其功率损耗是不可避免的，不过这种损耗微不足道，开关类功放的主要损耗是开关损耗――在完全导通态与完全截止态之间转换时产生的功率损耗。显然，这种开关损耗与线性功放产生的损耗比较要小很多。

因此，D类功放能够解决传统模拟功放效率低的问题。体积小、重量轻、效率高的数字功放在一些领域得到的大量的使用，如便携式设备，移动电话、小型的音响系统和一些使用电池的设备中。但是，与模拟功放相比，D类数字功放的设计相当复杂，这阻碍了D类功放在一些领域中的应用。

2 高效率、高线性数字功放技术

本数字功放技术包含四个组成部分：输入级，放大级，输出级和误差效正系统。其工作原理的简单描述如下：

输入模拟音频信号首先经隔离放大器放大，然后与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器，输出放大的误差音频信号。三角波发生器产生高线性度的模拟三角波信号。将放大的误差信号和三角波信号送到NPWM调制器，输出PWM信号。PWM信号送到H桥驱动器进行预放大，同时在H桥驱动信号间插入死区时间（dead time）。H桥放大器对PWM信号进行放大，输出功率PWM信号。功率PWM信号送到低通滤波器，输出放大的模拟音频信号。

准确的说，数字功放是一种DC-AC转换器。

本文所论述的数字功放技术包括四个重要的关键技术：

（1）脉宽调制技术。

（2）MOSFET桥式放大电路设计。

（3）解调滤波器设计。

（4）误差效正系统。

2.1 脉宽调制技术

脉宽调制（PWM）技术是数字功放技术的核心技术，让脉宽调制信号与输入音频信号的变化形成某种特定关系，这就是脉宽调制技术的目的，脉宽调制技术分为两种，分别是归一化脉宽调制（UPWM）和自然采样脉宽调制（NPWM）。本数字功放技术中使用的是NPWM调制。

已有的分析表明，三电平调制（NBDD）优于两电平调制（NADD），特别是在高频抑制特性方面。

本数字功放技术使用三电平调制（NBDD），并将其与全桥放大电路结合使用，得到了很好的效果。

2.2 MOSFET桥式放大电路设计

4 结论

本论文采用性能优良的NBDD脉宽调制方式以及控制结构简单、稳定性好的VFC2反馈控制结构，并结合高效率的H桥放大器设计和合理的滤波器设计，完成了一款性能指标优良的数字音频功率放大器的开发。技术指标达到了中档模拟功放的水平，与国外同类产品指标相当。

数字功放技术在不断的向前快速发展，数字功放的技术水平在不断提高，我公司紧跟技术发展动向，今年正在开发、应用更高指标的数字功放技术，主要采用自振荡NPWM调制，目前已开发出初样，其失真度为0.005%，信噪比为120 dB，频响为20Hz-40kHz，最大输出功率达3000W，效率达92%。

参考文献：

[1]Christopher N.Hemmings.Improving Class D Audio Power Amplifiers.University of Queensland，St Lucia，Department of Computer Science and Electrical Engineering，1999.

[2]Design Consideration for Class-DAudio Power Amplifiers.Texas Instruments Inc，1999，8.

[3]Class d tutorial.IR公司，2004，2.

第4篇：半导体器件的可靠性范文

关键词：控制设备；可靠性；散热防护；气候防护；电子元器件的选用

电气自动化就是使产品的操作、控制和监视，能够在无人 ( 或

少人) 直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动地进行。随着

机械电子技术、微电子技术迅猛发展，电气自动化控制在国民经济的各个行业都得到了广泛的应用，大大方便了人们的生活。电气自动化程度是一个国家电子行业发展水平的重要标志，同时，自动化技术又是经济运行必不可少的技术手段。电气自动化具有提高工作的可靠性、提高运行的经济性、保证电能质量、提高劳动生产率、改善劳动条件等作用。

伴随着电气自动化的提高，控制设备的可靠性问题就变得非常突出。控制设备的可靠性是可靠性学科的一个重要组成部分。在 20世纪70年代，我国就建立了电子产品的可靠性与环境试验研究所，开始了可靠性增长的研究工作。1984年组建了全国统一的电子产品可靠性信息交换网，并颁布了GJB 299 - 87 《电子设备可靠性

预计手册》，有力地推动了我国电子产品可靠性工作。

1 加强控制设备可靠性研究的重要意义

1.1 可靠性提高产品质量

产品质量就是使产品能够实现其价值、满足明示要求的特征和特质。概括其特性，主要包括：性能、可靠性、经济性和安全性。由此可见，可靠性在产品质量中占有主导地位。只有可靠性高，发生故障的次数才会少，那么维修费用就少，相应的安全性也随之提高。因此，产品的可靠性是产品质量的核心，是生产厂家追求的目标。

1.2 可靠性可以增加市场份额

随着国家经济的高速发展，用户不仅要求产品性能好，更重要的是要求产品的可靠性水平高。研究发现，只有那些具有高可靠性

指标的产品，才能在日益激烈的竞争中得以取胜。随着电气自动化

控制设备自动化程度、复杂度越来越高，可靠性技术已成为企业在竞争中获取市场份额的有力工具。

2 控制设备的可靠性现状

2.1工作环境、使用及维护不当是控制设备可靠性指标低的重要原因

电气设备所处的工作环境多种多样。气候条件、机械作用力和电磁干扰是影响控制设备可靠性的主要因素。

(1) 气候条件主要包括温度、湿度、气压、盐雾、大气污染等因

素，对控制设备的影响主要表现在使电气性能下降、温升过高、运动不灵活、结构损坏，甚至不能正常工作。

(2) 机械条件是指电气设备在不同的运载工具中使用时所受到的振动、冲击、离心加速度等机械作用，使得控制设备元器件损坏失效或电参数改变，结构件断裂或变形过大以及金属件的疲劳破坏等。

(3) 控制设备工作的周围空间充满了由于各种原因所产生的电磁波，造成外部及内部干扰。由于电磁干扰的存在，使设备输出噪声增大，工作不稳定，甚至不能安全工作。

同时，操作人员在没有完全掌握控制设备原理的基础上进行操作，导致对控制设备不能熟练而正确的操作，并且不能对设备进行及时的维护和保养，都会导致控制设备可靠性指标低。

2.2 元器件质量低下是控制设备可靠性指标偏低的一大原因

目前元器件生产厂家众多，参差不齐。如果控制设备的使用企业规模较小，质量管理体系不健全，导致零部件进厂检查出现漏

洞；同时，元器件厂家间的恶性竞争，导致产品价格低廉，迫使企业不顾及元件质量进行采购，这些都会导致控制设备可靠性指标偏

低，并且降低了使用寿命。

3 提高控制设备的可靠性对策

要提高电气自动化控制设备的可靠性，必须根据控制设备的特点，采用相应的可靠性设计方法，从元器件的正确选择与使用、

散热防护、气候防护等入手，使系统可靠性指标大大提高。

(1) 在控制设备设计阶段，研究产品与零部件技术条件，分析产品设计参数，研讨和保证产品性能和使用条件，正确制定设计方案；其次，根据产量设定产品结构形式和产品类型。因为产量的大小决定着生产批量的规模，生产批量不同，其生产方式类型也不同，因而其生产经济性也不同：同时，运用价值工程观念，在保证产品性能的条件下，按最经济的生产方法设计零部件：在满足产品技术要求的条件下，选用最经济合理的原材料和元器件，以求降低产品的生产成本；全面构思，周密设计产品的结构，使产品具有良好的操作维修性能和使用性能，以降低设备的维修费用和使用费用。

(2) 从生产角度来说，设备中的零部件、元器件，其品种和规格应尽可能少，尽量使用由专业厂家生产的通用零部件或产品。立足于使用国产材料和来源多、价格低的材料；设备( 含零部件) 的加工精度要与技术条件要求相适应，不允许无根据地追求高精度。在满足产品性能指标的前提下，其精度等级应尽可能低，装配也应简易化，尽量不搞选配和修配，力求减少装配工人的体力消耗，便于自动流水生产。

(3)电子元器件的选用准则。根据电路性能的要求和工作环境的条件选用合适的元器件，元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足设备工作和环境的要求，并留有足够的余量：优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件，不选用淘汰和禁用的元器件；应最大限度地压缩元器件的品种规格，减少生产厂家，提高它们的复用率；除特殊情况外，所有电子元器件应按不同的要求经过必要的可靠性筛选后，才能用到产品中；优先选用有良好的技术服务、供货及时、价格合理的生产厂家的元器件。对关键元器件要进行用户对生产方的质量认定；仔细分析比较同类元器件在品种、规格、型号和制造厂商之间的差异，择优选择。要注意统计在使用过程中元器件所表现出来的性能与可靠性方面的数据，作为以后选用的依据。

(4) 控制设备的散热防护。温度是影响电子设备可靠性最广泛的一个因素。电子设备工作时，其功率损失一般都以热能形式散发

出来，尤其是一些耗散功率较大的元器件，如电子管、变压管、大功率晶体管、大功率电阻等另外，当环境温度较高时，设备工作时产

生的热能难以散发出去，将使设备温度升高。

例如，半导体器件对温度反应很敏感，过高的温度会使器件的工作点发生漂移、增益不稳定、噪声增大和信号失真，严重时会引起热击穿。因此，通常半导体器件的温度不能过高，如锗管不超过70～100℃；硅管不超过150~200℃。表 1列出了常用元器件的允许温度。

因此对于半导体分立器件散热需要考虑：

对于功率小于100mW 的晶体管，一般不用散热器；大功率半导体分立器件应装在散热器上；散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装，以便于自然对流。散热器上有多个肋片时，应选用肋片间距大的散热器；半导体分立器件外壳与散热器间的接触热阻应尽可能小，应尽量增大接触面积，接触面保持光洁，必要时在接触面上涂上导热膏或加热绝缘硅橡胶片，借助于合适的紧固措施保证紧密接触；散热器要进行表面处理，使其粗糙度适当并使表面呈黑色，以增强辐射换热；对于热敏感的半导体分立器件，安装时应远离耗散功率大的元器件。

(5) 电子设备的气候防护。潮湿、盐雾、霉菌以及气压、污染气体对电子设备影响很大，其中潮湿的影响是最主要的。特别是在低温高湿条件下，空气湿度达到饱和时会使机内元器件、印制电路板

上产色和凝露现象，使电性能下降，故障上升。当电子设备受到潮湿空气的侵蚀，会在元器件或材料表面凝聚一层水膜，并渗透到材料内部，从而造成绝缘材料表面电导率增加，体积电阻率降低，介质损耗增加，零部件电气短路、漏电或击穿等。潮气还能引起覆盖层起泡甚至脱落，使其失去保护作用。通常采用浸渍、灌封、密封等措施。

第5篇：半导体器件的可靠性范文

关键词：电气自动化；控制设备；可靠性；探究

伴随着电气自动化的提高，控制设备的可靠性问题就变得非常突出。控制设备的可靠性是可靠性学科的一个重要组成部分。在20 世纪70 年代，我国就建立了电子产品的可靠性与环境试验研究所，开始了可靠性增长的研究工作。1984 年组建了全国统一的电子产品可靠性信息交换网，并颁布了GJB299―87《电子设备可靠性预计手册》，有力地推动了我国电子产品可靠性工作。

一、如何加强电气自动化控制设备可靠性研究的重要意义

1、可靠性可以增加市场份额

随着国家经济的高速发展，用户不仅要求产品性能好，更重要的是要求产品的可靠性水平高。研究发现，只有那些具有高可靠性指标的产品，才能在日益激烈的竞争中得以取胜。随着电气自动化控制设备自动化程度、复杂度越来越高，可靠性技术已成为企业在竞争中获取市场份额的有力工具。

2、可靠性提高产品质量

二、如何控制设备的可靠性现状的分析

1、元器件质量低下是控制设备可靠性指标偏低的一大原因目前元器件生产厂家众多，参差不齐。如果控制设备的使用企业规模较小，质量管理体系不健全，导致零部件进厂检查出现漏洞；同时，元器件厂家间的恶性竞争，导致产品价格低廉，迫使企业不顾及元件质量进行采购，这些都会导致控制设备可靠性指标偏低，并且降低了使用寿命。

2、工作环境、使用及维护不当是控制设备可靠性指标低的重要原因:电气设备所处的工作环境多种多样。气候条件、机械作用力和电磁干扰是影响控制设备可靠性的主要因素。

1）机械条件是指电气设备在不同的运载工具中使用时所受到的振动、冲击、离心加速度等机械作用，使得控制设备元器件损坏失效或电参数改变，结构件断裂或变形过大以及金属件的疲劳破坏等。

2）气候条件主要包括温度、湿度、气压、盐雾、大气污染等因素，对控制设备的影响主要表现在使电气性能下降、温升过高、运动不灵活、结构损坏，甚至不能正常工作。

3）控制设备工作的周围空间充满了由于各种原因所产生的电磁波，造成外部及内部干扰。由于电磁干扰的存在，使设备输出噪声增大，工作不稳定，甚至不能安全工作。同时，操作人员在没有完全掌握控制设备原理的基础上进行操作，导致对控制设备不能熟练而正确的操作，并且不能对设备进行及时的维护和保养，都会导致控制设备可靠性指标低。

三、如何提高控制设备的可靠性对策

要提高电气自动化控制设备的可靠性，必须根据控制设备的特点，采用相应的可靠性设计方法，从元器件的正确选择与使用、散热防护、气候防护等入手，使系统可靠性指标大大提高。

1、从生产角度来说，设备中的零部件、元器件，其品种和规格应尽可能少，尽量使用由专业厂家生产的通用零部件或产品。立足于使用国产材料和来源多、价格低的材料；设备（含零部件）的加工精度要与技术条件要求相适应，不允许无根据地追求高精度。在满足产品性能指标的前提下，其精度等级应尽可能低，装配也应简易化，尽量不搞选配和修配，力求减少装配工人的体力消耗，便于自动流水生产。

2、电子元器件的选用准则。根据电路性能的要求和工作环境的条件选用合适的元器件，元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足设备工作和环境的要求，并留有足够的余量；优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件，不选用淘汰和禁用的元器件；应最大限度地压缩元器件的品种规格，减少生产厂家，提高它们的复用率；除特殊情况外，所有电子元器件应按不同的要求经过必要的可靠性筛选后，才能用到产品中；优先选用有良好的技术服务、供货及时、价格合理的生产厂家的元器件。对关键元器件要进行用户对生产方的质量认定；仔细分析比较同类元器件在品种、规格、型号和制造厂商之间的差异，择优选择。要注意统计在使用过程中元器件所表现出来的性能与可靠性方面的数据，作为以后选用的依据。

3、电子设备的气候防护。潮湿、盐雾、霉菌以及气压、污染气体对电子设备影响很大，其中潮湿的影响是最主要的。特别是在低温高湿条件下，空气湿度达到饱和时会使机内元器件、印制电路板上产色和凝露现象，使电性能下降，故障上升。

当电子设备受到潮湿空气的侵蚀，会在元器件或材料表面凝聚一层水膜，并渗透到材料内部，从而造成绝缘材料表面电导率增加，体积电阻率降低，介质损耗增加，零部件电气短路、漏电或击穿等。潮气还能引起覆盖层起泡甚至脱落，使其失去保护作用。通常采用浸渍、灌封、密封等措施。

4、在控制设备设计阶段，研究产品与零部件技术条件，分析产品设计参数，研讨和保证产品性能和使用条件，正确制定设计方案；其次，根据产量设定产品结构形式和产品类型。因为产量的大小决定着生产批量的规模，生产批量不同，其生产方式类型也不同，因而其生产经济性也不同；同时，运用价值工程观念，在保证产品性能的条件下，按最经济的生产方法设计零部件；在满足产品技术要求的条件下，选用最经济合理的原材料和元器件，以求降低产品的生产成本；全面构思，周密设计产品的结构，使产品具有良好的操作维修性能和使用性能，以降低设备的维修费用和使用费用。（5）控制设备的散热防护。温度是影响电子设备可靠性最广泛的一个因素。电子设备工作时，其功率损失一般都以热能形式散发出来，尤其是一些耗散功率较大的元器件，如电子管、变压管、大功率晶体管、大功率电阻等。另外，当环境温度较高时，设备工作时产生的热能难以散发出去，将使设备温度升高。

例如，半导体器件对温度反应很敏感，过高的温度会使器件的工作点发生漂移、增益不稳定、噪声增大和信号失真，严重时会引起热击穿。因此，通常半导体器件的温度不能过高，如锗管不超过70～100 ℃；硅管不超过150～200 ℃。表1 列出了常用元器件的允许温度

因此对于半导体分立器件散热需要考虑：对于功率小于100 mW 的晶体管，一般不用散热器；大功率半导体分立器件应装在散热器上；散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装，以便于自然对流。散热器上有多个肋片时，应选用肋片间距大的散热器；半导体分立器件外壳与散热器间的接触热阻应尽可能小，应尽量增大接触面积，接触面保持光洁，必要时在接触面上涂上导热膏或加热绝缘硅橡胶片，借助于合适的紧固措施保证紧密接触；散热器要进行表面处理，使其粗糙度适当并使表面呈黑色，以增强辐射换热；对于热敏感的半导体分立器件，安装时应远离耗散功率大的元器件。

第6篇：半导体器件的可靠性范文

引言

静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中,比如:静电植绒、静电分离、静电复印等。然而,静电却又成为电子产品和设备的一种危害,它可以通过多种途径进入电子设备,使设备工作不正常,甚至损坏。近年来,静电放电(ElectrostaticDis-charge,ESD)的危害日益突出,电磁环境日益恶劣,这在一定程度上会造成火工品早炸或性能下降(如迟发火、钝感等),任何一个火工品的误爆和失效都可能导致整个试验失败。航天器因其高新技术特性,要求其所用火工品具有高安全性、高可靠性、高同步性、高工艺一致性、低发火能量等一系列优异性能。但是,随着电子技术的发展和产品复杂程度的提高,静电对火工品的危害也越来越严重。因此,有必要采取一定的技术措施进一步增强其抗静电能力。

1静电放电的形成及破坏机制

1.1静电放电的形成静电放电就是具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移,用静电放电表示。一般由摩擦带电和感应带电两种途径产生静电。微电子器件在生产加工、组装储存及运输过程中,可能与带静电的容器、测试设备及操作人员接触,所带静电经过器件引线放电到地,使器件受到损伤或失效,这叫静电放电损伤。

1.2静电放电的破坏机制当两个带静电的物体或一个带静电的物体与不带电的导体靠近或接触时,就会发生静电放电现象。静电放电电流一般具有很高的幅度和很短的上升沿,这样就会在放电电流附近产生强度大、频谱宽的电磁场。电磁场的频率取决于放电电流的上升沿,上升沿越短,产生的电磁场的频率越高,越容易产生干扰。放电时产生的放电电流及其电磁场经传导和辐射耦合进入电子设备,引起电子设备的故障或损坏,尤其是计算机芯片、集成电路等。静电放电两种主要的破坏机制是:由于静电放电电流产生的热量导致设备的热失效;由于静电放电感应出高的电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生,例如,绝缘击穿可能激发大的电流,这又进一步导致热失效。

1.3普通电火工品静电放电损伤机理一般来说,在射频和静电影响较小的情况下,不足以引起火工品发火,但会使火工品的性能恶化,从而失去正常工作的可靠性。一旦电磁干扰能量积累到一定程度,就会造成火工品的意外起爆,威胁武器试验和人员安全。静电对火工品的影响是直接的,而射频能量是通过电压和电流两个作用形式使电火工品发火或瞎火。桥丝式火工品在射频作用下,桥丝上耦合的射频能量将产生焦尔热,而脉冲射频波则会产生热积累效应。焦尔热和热积累效应使桥丝温度升高并传递给周围药剂,当药剂达到发火时,将引起电火工品意外发火;而射频能量较小时,药剂只会发生热分解,从而引起性能改变。

2火工品静电放电的防护设计

国内外关于火工品的静电防护措施归纳起来通常有“堵”、“泄放”、“堵泄结合”三种方式。

2.1“堵”抗静电方式“堵”抗静电方式一般是采取增加脚-壳间的绝缘强度的方法。在雷管管壳与脚线构成静电放电回路的两极时,火花发生在回路中电绝缘最薄弱之处。在军用电雷管结构中通常是桥丝或脚线边缘离管壳最近,而这里又是装起爆药或点火药的位置,因此,是最容易击穿的地方。所以,在抗静电措施中,最常用的结构是,在桥丝周围增加一个绝缘环或套筒,使用绝缘材料制造管壳,或是在点火药外表面涂上一层绝缘漆膜。

2.2“泄放”抗静电方式1)采用保护性火花隙保护性火花隙作为保护通道要保证在静电火花作用下,静电能量通过保护通道可靠地泄放掉而不导致产品发火。危险通道与保护通道的击穿电压之比越大,危险通道比保护通道的击穿时间越短,泄放静电的可靠性越高。由于空气具有良好的击穿重复性,保护性火花隙通常采用空气火花隙。当施加静电高压时,由于保护通道的击穿电压比危险保护通道低,已被击穿,静电通过保护通道泄放掉,从而保护了危险通道,使产品不致发火。2)采用静电泄放元件在火工品脚与壳间并联静电泄放元件,如微型泄放电阻、微型二极管、微型氖灯和非线性电阻(如压敏电阻),以泄放静电。并联微型电阻是在脚与壳间并联泄放电阻,其主要目的是分压及分流能量,使脚-壳间危险通道得到的能量极大的减小,以致于不被静电击穿。如火工品处于一个不断产生静电荷的静电场中,由于泄放电阻的存在,静电荷不易积累。而当高压静电脉冲向产品的脚与壳间放电时,则又可通过泄放电阻泄放。3)采用非线性材料或半导体材料作电极塞非线性电阻,又称之为压敏电阻,是由高电阻的可塑性粘接物、二次电子发射体材料和非线性电阻材料组成。由于非线性电阻在静电高压时呈低阻态,能很好的泄放静电,而在低压时呈高阻态,又不影响正常发火,故是理想的泄放元件。半导体插塞是把粉碎细的金属粉,如铝粉、方铅矿、黄铜、铜或碳黑等导电微粒混入某种绝缘介质(如石蜡、树脂等)中制成插塞。在静电脉冲作用下,插塞内部被击穿,泄放静电能量;在低压下呈现高阻态,不影响正常发火。4)采用半导体涂料半导体涂料是用含有铝粉、银粉、碳黑等导电材料的化合导电胶作为半导体涂料(又称之为导电胶),涂在插塞外表面脚线与壳体间,形成静电泄放通道。使用导电涂料是一种简单、有效、成本低廉的方法。

2.3“堵泄结合”抗静电方式两脚线与壳体间是否具有一定的绝缘强度(绝缘阻值)是电火工品另一个重要的安全性指标。该指标表明了电火工品在一定电压、长时间作用下的安全可靠性。因此,很多电火工品在提出抗静电要求的同时也提出了绝缘阻值要求。这时,光采用上述“堵”、“泄放”的抗静电方法并不能同时满足抗静电要求和100V甚至500V直流电压条件下的绝缘阻值要求。为了同时满足这两个要求,在电火工品达到绝缘阻值要求的同时,还要建立一定的静电泄放通道,该通道必须具有低电压(500V~750V)绝缘、高压击穿导通的特性。根据上述设计思路,在结构上采取“堵泄结合”的方式,可保证同时满足抗静电和绝缘性能要求。

3电子设备的过压保护技术

在电子、通讯领域,目前采用的过压保护元件主要包括压敏电阻、TVS二极管、稳压管等。所有过压保护元件都有其优缺点,应该根据具体的应用场合,采用过压保护元件的最佳组合来建立相应的保护电路。电子、通讯领域采取的过压防护技术也可以借鉴到火工品领域,用于火工品的静电防护。

3.1压敏电阻压敏电阻是一种新颖的过电压保护用的半导体器件。以氧化锌压敏电阻为例,它以微小氧化锌晶粒为主体,掺杂少量更为微小的氧化秘、氧化锌、氧化钻、氧化锰等多种金属氧化物粉末在高温下烧结而成。氧化锌是N型半导体,电阻率较低,氧化锌晶粒周围是由氧化秘等组成的晶界层,是P型半导体,其电阻率较高。压敏电阻在正常工作电压下,其晶界层呈高电阻状态,只能通过微安数量级的很小泄漏电流。若电流出现浪涌过电压时,其晶界层立即转变为低电阻状态,通过压敏电阻的电流急骤增大,此时浪涌过电压的能量转化为电阻体的热能。也就是说,浪涌过电压以放电电流的形式被压敏电阻所吸收,浪涌过电压受到抑制,从而对电路中的设备或器件起到过电压的保护作用。当浪涌过电压过后,电路电压恢复正常,压敏电阻很快又恢复为高电阻状态,线路正常运行。压敏电阻的优点包括非线性系数大、常态泄漏电流小、功耗低、伏安特性对称、残压低、放电后无续流、体积小及可靠性较高;缺点包括电容值较大、响应时间较慢、离散性大;当流过它的电流增大时,箝位电压也会增大,这也是箝位保护元件的固有缺点。另外,压敏电阻容易产生蜕化,因此也存在可靠性和性能的问题。

3.2瞬态抑制二极管(即TVS二极管)瞬态电压抑制器(TransientVoltageSuppressor,TVS),是一种在稳压管工艺基础上发展起来的高效能保护器件,有的文献上也为TVP、AJTVS、SA-JTVS等。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10s~12s量级的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。TVS二极管的正向特性与普通二极管相同,反向特性为典型的PN结雪崩器件。其电流-时间和电压-时间曲线（图略）在浪涌电压的作用下,TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压Vbr而被击穿。随着击穿电流的出现,流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流,同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后,随着脉冲电流的衰减,TVS两极间的电压也不断下降,最后恢复到初态,这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率,保护电子元器件的过程。二极管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小、封装集成度高等优点;由于TVS二极管的结面积较大,使得它具有泄放瞬态大电流的优点,具有理想的保护作用。其缺点包括电流负荷能力低、电容值相对较高,且随着器件额定电压变化,即器件额定电压越低,电容则越大;这个电容也会同相连的导线中的电感构成低通环节,而对数据传输产生阻尼作用;二极管所能承受的瞬时脉冲是不重复的单一脉冲,若实际电路中出现重复性脉冲则会失效。

3.3稳压管稳压二极管(又叫齐纳二极管)是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。稳压管的伏安特性见如图3所示。当电压达到VBO时,稳压管会发生齐纳效应,电流迅速增加,但电压只产生很小的变化。一般来讲,稳压管的稳压效应较好,但能量吸收较小,负荷承受能力也就低得多,由此容易出现过热情况。这种情况可以部分地用压制成形的金属电极补偿,利用电极散掉热量,但这也增加了体积。目前,电火工品的抗射频方法主要还是采用加强屏蔽、低通滤波器、集肤效应导线等方法。电子设备上一般也是采用低通滤波器进行电磁防护,通过分析可知,对电火工品的射频防护还是要采用分立元件的方法。

第7篇：半导体器件的可靠性范文

【关键词】氢气；表面态；电荷泵技术

Effect of Pure H2 Metal Alloy on Interface States of MOSFET

LIU Jie-wei YU Zhi-fang ZENG Hong-lin

（Semiconductor Manufacturing International （Shanghai） Corporation， Shanghai 201203，China）

【Abstract】Si-SiO2 Interface states in metal-oxide-silicon field effect transistors （MOSFET） impact device normal performance. We adopt pure H2 metal alloy and use charge pumping measurement to reflect improvement of pure H2 alloy on interface states in MOSFET. In this paper， we present the experimental results on the effect of H2 ambiences on the interface states density reduction and the reduction is not only related with the alloy time， but also related with H2 flow rate. Therefore， the experiment can provide important information for the process optimization， yield and reliability improvement.

【Key words】H2；Interface States； Charge pumping

0 引言

当今世界，微电子技术飞速发展，随着集成电路集成度的不断增加，金属-氧化物半导体器件尺寸不断等比缩小，器件的栅氧化层也变得越来越薄，为了确保金属-氧化物半导体器件的良好特性，对栅氧化层质量的要求也会更高。随之而来的制造工艺也日渐复杂，在众多的工艺制程中不可避免的会产生界面态（界面陷阱）电荷。制造工艺中界面态的主要来源是氧化层生长工艺，离子注入，等离子体沉积等工艺。

界面态位于Si/SiO2界面上；其能量状态分布于禁带内；可以带有电荷；是少数载流子的产生中心和复合中心；可较快地同Si的导带或价带交换电子和空穴（故界面态也曾被称为“快态”）。界面态的主要来源为过剩的Si（三价硅）；断裂的Si-H价键；过剩的氧和杂质、缺陷等。器件的栅氧化层界面态直接影响MOS晶体管的阈值电压、降低MOSFET表面载流子有效迁移率和跨导，从而影响金属-氧化物半导体场效应晶体管超大规模集成电路的成品率和可靠性[1]。

对界面态的研究主要通过研究其电学性能来进行，利用界面陷阱电荷能与硅体内交换电量的性质测量

界面陷阱电荷，是各种界面态测量方法的基础。改变MOS电容两端电压的大小和极性，以及硅的表面势，界面态便随着表面势的变化而充、放电、监测充、放电荷或电流，或者监测由于界面态充、放电引起的电导或电容的变化，可测量界面陷阱电荷和界面态密度随能量的分布，测量界面态电荷和界面态密度随能量的分布。最早用于检测界面状况的方法为传统C-V技术[2]， C-V曲线的解释相当复杂，需要建立模型然后利用计算机进行模拟，将模拟结果与测量结果相对照，估算界面态电荷。而电荷泵法[3]是目前公认的使用最为广泛的测试表面态电学特性的方法。在栅极上施加频率为F的周期性三角波信号V，当器件进入反型时，其反型层内少数载流子由源和漏提供，部分少数载流子可能会被界面态陷住。转换栅压使器件处于积累状态时，反型层中载流子将流向源漏而快速消失。界面态上陷住的少数载流子将与来自衬底的多数载流子复合，这种多数载流子的流动就构成了电荷泵电流（Icp）。

氢钝化技术是利用原子氢来终结表面悬挂键的一种技术。氢钝化处理不仅可以饱和半导体表面的悬挂键[4-5]，还可以使半导体获得干净、平整、抗氧化能力强的表面[6-8]。本文利用电荷泵（Charge Pumping， CP）法深入研究了在合金化制程中通入氢气对界面态的影响。首先研究通入氢气的时间对界面态的影响，然后又对通入氢气的流量进行实验，得到最佳的工艺组合条件，为制程的提升改善提供借鉴。

1 实验

所有实验采用 0.35μm 硅栅CMOS标准工艺制造的n-MOSFETs （沟道长度L分别为0.35μm/0.8μm，沟道宽度W为10μm）。MOSFETs的栅氧化层在850°C高温下干法生长。在工艺流程末端的金属合金化制程中用纯氢气替代传统的氮氢混合气体（Forming Gas）。实验着重研究氢气的流量（2slm， 3slm， 12slm）和时间（10mins，20mins，30mins）对表面态的作用，并用常规的氮氢混合气体（15% H2/ 85% N2）作为对照组。为确保实验结果的准确性，同一金属合金化工艺条件下抽取4个样本，用电荷泵法精确测量电荷泵电流（Icp）来反映氢气对表面态的改善作用。

2 实验结果与讨论

2.1 氢气流量对电荷泵电流（Icp）的影响

图1给出了10/0.35μm NMOS经过不同氢气流量的合金化制程后，电荷泵电流的变化情况，合金化温度为400°C，时间为10分钟。

图1 10/0.35μm NMOS管在不同氢气流量下Icp的变化

从图1 中可以看出，氢气对于器件界面态又明显的改善作用。随着氢气流量的增大，电荷泵电流会减小，氢气流量越大，电荷泵电流就越小，当氢气流量达到12slm时，电荷泵电流Icp的中值降到2.24X10-10Amp，仅为混合气体制程时的40%。由此可见，大流量纯氢气可使界面陷阱部分消失，可能的原因是H可以修复由于离子注入，等离子制程等工艺造成的Si/SiO2 界面部分的Si-悬挂键，使其重新键合为Si-H价键，改善界面态。

2.2 图2给出了10/0.35μm NMOS在3slm纯氢气氛围下，经过不同时间的合金化制程后，电荷泵电流的变化情况，合金化温度为400°C。

从图2 中可以看出，随着合金化制程时间的加长，电荷泵电流会逐渐减小，时间越长，电荷泵电流就越小，但是其作用小于氢气流量对于界面陷阱电荷的修复作用，而且随着时间的加长，样本之间的差异增大，收敛性变差。

图2 10/0.35μm NMOS管在不同时间相同氢气流量下Icp的变化

2.3 图3给出了10/0.8μm NMOS在3slm纯氢气氛围下，经过不同时间的合金化制程后，电荷泵电流的变化情况，合金化温度为400°C。

图3 10/0.8μm NMOS管在不同时间相同氢气流量下Icp的变化

从图3 中可以看出，随着合金化制程时间的加长，电荷泵电流会逐渐减小，时间越长，电荷泵电流就越小，相较于10/0.35μm NMOS，合金化制程的时间对10/0.8μm NMOS的作用较为显著，当时间增加到30mins，电荷泵电流Icp的中值可以下降到1.79X10-10Amp。

3 结论

本文给出了在金属合金化过程中通入不同氢气流量和延长制程时间，MOSFET器件电荷泵电流的测量结果。实验发现合金化过程中纯氢气氛围对于器件界面态有明显的改善作用，在纯氢气前提下延长制程时间对界面态也有一定的改善作用，对于长沟道器件的改善作用要优于短沟道器件。

【参考文献】

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[2]Nakajima Y，Sasaki K，Hanajiri T，et a1[J].Physica E，2004（24）：92.

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第8篇：半导体器件的可靠性范文

当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。

1.电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.3变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2.现代电力电子的应用领域

2.1计算机高效率绿色电源

第9篇：半导体器件的可靠性范文

【关键词】微电子器件；静电损伤；放电模型

随着科学技术的飞速发展，电子、通信、航天航空等高新产业的迅速崛起，电子仪器仪表和设备等电子产品日趋小型化、多功能及智能化，高性能微电子器件已成为满足上述要求中不可缺少的核心元件。这种器件具有线间距短、线细、栅氧薄、集成度高、运算速度快、低功率和输入阻抗高等特点，因而导致这类器件对静电越来越敏感，业内把这类器件称之为静电敏感器件（ESDS）。

1.静电放电特性

1.1静电放电类型

静电放电有多种形态，根据其特点，并从防止静电危害方面来考虑，可分为7种：电晕放电、火花放电、刷形放电、传播型刷形放电、大型料仓内粉堆放电、雷状放电以及电场辐射放电。

1.2静电放电模型

静电模型包括人体模型（HBM）、人体-金属模型（BMM）、带电器件模型、家具模型、机器模型及场感应模型。国内对电子器件ESD敏感度的测试标准采用的是人体模型，用于模拟带电人体指尖与接地物体之间产生的静电放电。IEC61340-3-1规定了短路电流波形，其中，上升时间tri小于10ns，衰减时间tdi为150±20ns，振荡电流Ir应小于峰值电流Ip的15%，且脉冲开始100ns后不应被观察到。

2.实验

2.1原理与方法

研究半导体器件的静电放电效应时，一般采用注入法，即把电磁能量通过一定的装置注入电子元器件的相应管脚，这样可以精确而方便地得到损伤阈值。实验装置包括ESS-200AX型ESD模拟器、TDS680B数字存储示波器、TekP6041（5mV/mA，25kHz～1GHz，匹配电阻50Ω）电流探头。

2.2 CG392实验结果

根据积累的经验，高频小功率器件尤其是微波小功率器件对静电非常敏感。

对于晶体三极管，从外观上很难判断是否遭受损伤，只能通过测量反映其质量的有关参数来确定。用于测试电子元气件电参数的设备包括XJ4810晶体管特性图示仪、8970B噪声系数测试仪、CTG-1型高频C-V特性电容测试仪和漏电流测试仪等。

损伤判据主要根据GJB33A-1997《半导体分立器件总规范》有关条款制定，一般情况下以器件敏感参数变化超过试验前测量值20%或试验后数值超出规定的产品极限值判为器件损伤。

三极管具有3个管脚，共6个管脚对组合，放电途径为：基极发射极（BE）、发射极基极（EB）、基极集电极（BC）、集电极基极（CB）、发射极集电极（EC）、集电极发射极（CB）。

实验中将每三个器件分为一组，在相等的放电电压下，对相同的管脚对进行ESD单次放电。放电电压分为800、1200、1600 V三个档次，如果三个器件同时通过相同的电压档次，则继续提高放电电压；如果其中一个器件失效或损伤，则中止针对该管脚对的实验。

实验结果如下：①所有器件都通过800V的注入电压；②对于1 200V的注入电压，只有一个从CB结反向注入的器件（4号）出现损伤情况，其余各组器件均顺利通过。重新测试一组，仍然有一个器件（26号）出现损伤，初步说明CB结比EB结对静电更加敏感，这与现存的看法相反；③对于同一个结来说，正向注入时的损伤阈值要高于反向注入时的损伤阈值；④当注入端对为CB结时，对应的敏感参数包括VBRCEO、VBRCBO和hFE。对于反向击穿电压来说，主要表现为数值下降及出现软击穿情况；而对于正向直流传输比hFE来说，表现为数值下降和曲线的畸变。

为了更精细地判断CB结和EB结对静电放电敏感程度的相对大小，采用步进法更加合理。记录管子的损伤情况，其中V1表示最大未损伤电压，V2表示最小损伤电压，CB结平均最小损伤电压为900 V， EB结平均最小损伤电压为1700V，可以认为CB结比EB结对ESD更加敏感。

2.3其他三极管实验结果

实验采用步进法，每种器件的样本量不小于20，注入的电压步长不超过前一次注入电压的5%，首次注入即损伤的实验数据无效。①不同的器件因结构不同、工艺不同，它们的抗ESD的能力不同；②同一端对对于不同ESD模型的静电敏感度不同，例如3358（F32）的CB结，在HBM模型下，损伤电压平均值为3025V，在BMM模型下，损伤电压的平均值为2330V，这是由于BMM模拟器的储能电容（150pF）较大，而与之串连的放电电阻（330Ω）又较小，在相等的放电电压条件下，储能电容上的能量较大，产生的放电电流峰值较大，放电持续时间又较短，因此对器件的危害更大；③对于3358（F32）、2SC3356等高频低噪声晶体管来说，反向CB结的静电敏感度要高于反向EB结的静电敏感度。

3.结论

在不同的静电放电模型下，通过实验研究了几种典型的半导体器件的静电敏感端对的静电放电情况和灵敏参数，由于外部环境、材料、结构和加工工艺不同，器件的静电损伤模式不同，其最大未损伤阈值和最小损伤阈值也不尽相同。实验结果表明，对于高频低噪声npn型硅三极管来说，反向CB结的静电敏感度要高于反向EB结的静电敏感度； ESD电流注入硅器件不同端对时，灵敏参数一般包括反向击穿电压、直流电流放大系数和反向漏电流，而极间电容和噪声系数对静电不敏感。对于高频低噪声晶体管来说，由于其自身结构上的原因，即功率容量小、击穿电压低、结浅，因而对静电非常敏感。ESD注入损伤的最灵敏端对是反向CB结，最敏感参数是VBRCEO，器件失效到击穿有一击穿变软的过程，正向注入时的损伤阈值要高于反向注入时的损伤阈值。