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功率 VDMOS 器件失效分析与可靠性研究
摘 要
功率 VDMOS 器件是当今功率半导体主流器件之一，具有价格低、输入阻
抗高、开关速度快、热稳定性好等特点，在民用、军用电子工业上广泛应用。
目前，提高器件可靠性成为国内外研究的热点。本文通过高温循环、高低温循
环和功率循环试验及有限元软件模拟等方法，研究功率 VDMOS 器件失效问题
及可靠性，该方面研究对提高器件质量具有理论意义和应用价值。
本文利用高温循环、高低温循环和功率循环试验，对国内外 4 种不同型号
的功率 VDMOS 器件进行温度循环试验；采用大功率半导体晶体管特性图示
仪，测量试验前后器件电性能；采用电子和光学显微镜，检查试验前后器件外
观；对失效样品进行开封、超声波清洗及显微镜分析；运用 ANSYS 有限元模
拟软件，建立 TO-220AB 封装形式功率 VDMOS 器件三维模型，在高温循环、
功率循环条件下，模拟器件热应力和应变，研究器件失效模式和失效机理。研
究结果表明：芯片断裂、裂纹、划痕、烧毁等现象导致器件电性能退化。由于
热膨胀系数不匹配，器件各组件之间在交界处会产生的热应力；Al 与水中的离
子玷污物发生化学反应，会造成键合引线断裂。
高温循环与 ANSYS 软件模拟表明：粘结层烧结不良、空洞不仅引起热阻
增大，导致器件热烧毁，而且空洞所对应芯片、引线框架部位所受的应变较
大，引起引线框架开裂、鼓包现象，最终导致芯片产生裂纹。
功率循环与 ANSYS 软件模拟表明：由于塑封体与引线框架的热膨胀系数
相差较大，在交界面处所受应力、应变较大，引起塑封体与引线框架开裂现
象，导致芯片断裂；塑封体中含有水汽，器件漏极引脚上方的塑封体温度较
高，容易出现“爆米花”现象。
综上所述，由于器件各组件热膨胀系数失配、粘结层缺陷和内部含有水气
等情况，会导致器件失效。

关键词 VDMOS；可靠性；失效；电特性；外壳形貌
-I-
Failure Analysis and Reliability Research of Power
VDMOS Transistor
Abstract
With a low price, high input resistance, fast switching speed, good thermal
stability and other characteristics, power VDMOS device is the mainstream of
today's power semiconductor devices, and is widely used in the civilian and military
electronics industry. Currently, improve the reliability of the device is becoming a
research hotspot at home and abroad. In this paper, high temperature cycle, high low
temperature cycle, power cycling test and finite element software simulation are used
to study the failure and reliability of the power VDMOS device, which are important
in improving the device quality.
High temperature cycle, high low temperature cycle, power cycling test are used
in the temperature cycling test in the four different kin