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为什么集成电路通过大电流或者超过工作温度会烧毁,烧毁的是硅片,PN结还是封装?

地球的外星人君 | 2017/10/11 8:36:19

为什么集成电路通过大电流或者超过工作温度会烧毁,烧毁的是硅片,PN结还是封装?


  • 李遥  |   2017/10/11 17:22:27

    集成电路内部的部件电阻不为0,当电流流过该部件时就会产生热量,热量的累积导致温度上升,温度上升到一定程度就会破坏该部件的物理特性,被热击穿,集成电路便无法正常工作。若温度持续上升,直到达到部件的燃点,该部件就会燃烧,被彻底摧毁。

    集成电路内部不管是PN结还是金属线,都存在电阻,只要流过电流就会产生热量。如果热量不能及时的散发出去,就会经历上述过程。

    集成电路的外部封装(这里认为是外面的塑料部分)由于没有电流流过,不会产生热量,但是内部的部件会传导热量给它,热量累积,升温,温度到达一定的程度,也是会燃烧的。

    总之,就是电流流过耗能部件产生热,导致温升,而任何物体都会有一个所能承受温度的极限,超过就会极限就会不正常。如同人,发烧,温度超过一定极限——>就会 死 或者 脑子不正常!


  • 姚东  |   2017/10/12 10:57:14

    题主说到的这三种情况都有可能发生。

    封装前的硅片(wafer/silicon die)应该是包含掺杂注入热过程这些形成内部结构的工艺步骤和contact/via/Metal这些形成金属互联的步骤,所以题主把硅片和pn junction分开有些牵强和生硬。

    最容易想到的是pn结会发生击穿,不论是punch through, avalanche,还是齐纳。但我想说的是仅仅是breakdown不能构成device的failure。很多时候device都会在breakdown的时候工作,以前为了向客户展示我们设计的power MOSFET的reliability,我们会将device置于breakdown的条件下持续run一个月。取决于发生breakdown的位置,设计得好的MOSFET可以经受很长时间的breakdown。 对于silicon failure真正有意义的是SOA(safe operation area). 这是个比较复杂的概念,是经过大量的failure analysis之后得到的,考虑了breakdown voltage,max current, junction max temperature, thermal resistance等概念。简单的说就是我们不能只关心击穿电压,必须配合电流及使用环境温度,才能让silicon failure。

    第二种Device failure出现在Contact / Via / Metal这些layer上。 因为金属互连线都存在尺寸的限制,所以对于导电电流也存在限制。 一定粗细的金属线能承受的电流是确定的,超过这个电流大小就会烧断,就像日常生活中的熔丝一样。这也是为什么大家很多时候偏向使用cooper / tungsten siliside (原来这货的中文叫做“乌龟”合金) 这些材料而不愿去用Al。

    再继续往外,下一种Device Failure可能出现在package上。 这些年封装上的进步其实很多时候就是在克服这点,让可以承受的电流更大。 Bond wire这种封装方式越来越不被使用,除了可靠性不佳以外,带来的寄生电容电感电阻(parasitic impedence)都会很大。 QFN,CSP等封装方式可能在以后会占领更多的市场。 


  • andrew  |   2017/10/13 10:31:25

    ..我是做RF MMIC的,在测试中会发现 大功率的GaAs PA(如X-Band 10W功放),在测试中烧毁的几率要比小功率的芯片高。
    烧毁的原因 决定了 烧毁的位置:
    1.因为外部接头或模块端口的阻抗不是标准50欧姆,形成反射,反射的相位如果与信号相位相同,会产生叠加,晶体管会烧毁;
    2.需要过大电流的地方,使用的金属线(Gold)太细,会造成直流供电线烧毁;
    3.芯片自激(可能是因为外部干扰自激,也可能是设计缺陷),会产生瞬间大电流,晶体管烧毁。
    4.低温测试时,晶体管阻抗改变,Id升高,Gain升高,造成自激,晶体管烧毁。

    超过结温工作,会降低晶体管的寿命和可靠性。如果是地面使用,尚可更换或维修;如果是星载使用,是断不可接受的,这样的后期维护没法做啊。。