塑封功率器件分層失效機(jī)理研究與工藝改進(jìn).pdf

1、功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)和核心,近年來(lái)功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展迅速,但功率半導(dǎo)體器件的封裝發(fā)展相對(duì)滯后,一定程度上已經(jīng)制約了功率器件性能的進(jìn)一步提高。塑料封裝是功率半導(dǎo)體器件主要的封裝形式,但塑料封裝的非氣密性會(huì)帶來(lái)潛在的可靠性問(wèn)題,封裝分層就是其中最常見(jiàn)的一種失效模式。封裝分層一般是在水汽和熱應(yīng)力的協(xié)同作用下發(fā)生的,工作溫度很高的功率器件極易發(fā)生分層。封裝分層可以導(dǎo)致鍵合引線脫落、芯片表面金屬層或鈍化層損傷、爆米花效應(yīng)、金屬的腐蝕

2、,使塑封器件的性能極大降低甚至失效。功率器件的廣泛應(yīng)用對(duì)封裝可靠性提出了更高的要求,封裝分層日益引起關(guān)注。但目前有關(guān)分層機(jī)理的研究還相當(dāng)有限,特別是從EMC-Cu粘接的角度上對(duì)分層進(jìn)行解釋還未見(jiàn)報(bào)道。因此,研究封裝分層的具體機(jī)制并提出工藝改進(jìn)方案對(duì)功率器件可靠性的提高具有指導(dǎo)意義。
　　 本文對(duì)某種功率器件濕熱老化后銅基板表面分層及芯片表面分層進(jìn)行了失效分析,對(duì)斷口及截面進(jìn)行了形貌觀察及成分分析,確定了分層發(fā)生的部位,提出了兩者

3、分層的不同機(jī)制,同時(shí)利用共焦顯微拉曼光譜對(duì)粘接邊界層進(jìn)行了研究。
　　 對(duì)濕熱老化條件下分層造成的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了與實(shí)際器件結(jié)構(gòu)符合的Sn-Cu-SnPb串級(jí)體系的電化學(xué)特性,確定了早期銅的縫隙腐蝕和Cu-SnPb的電偶腐蝕機(jī)理,發(fā)現(xiàn)了電化學(xué)腐蝕對(duì)分層擴(kuò)展的促進(jìn)作用。
　　 對(duì)于封裝工藝來(lái)講,切實(shí)可行的改進(jìn)措施就是對(duì)銅引線框架進(jìn)行適當(dāng)?shù)难趸幚?。研究了氧化處理?duì)某種銅合金引線框架材料粗糙度、接觸角、表面形貌、氧化層厚

4、度、氧化層界面形態(tài)等方面的影響,從粘接理論的角度論證了氧化處理的可行性及有效性。
　　 根據(jù)失效分析及氧化特性分析的結(jié)論,提出了工藝改進(jìn)措施。測(cè)定了某種銅合金引線框架在不同氧化條件下與某種EMC的粘接強(qiáng)度,總結(jié)了最佳引線框架處理方法,并評(píng)估了優(yōu)化工藝后器件在濕熱老化及缺口試驗(yàn)中的表現(xiàn)。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,分層主要發(fā)生在銅合金引線框架的氧化層及粘接邊界層,分層裂紋的擴(kuò)展的主要機(jī)制是濕熱應(yīng)力及電化學(xué)腐蝕,對(duì)氧化層及邊界層進(jìn)