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文檔簡介

1、文章編號:042727104(20090120078204功率器件芯片封裝和靜電放電失效分析王振雄,曾 韋華(復旦大學材料科學系,上海200433收稿日期:2008208201 作者簡介:王振雄(1982,男,碩士研究生;通訊聯系人曾 韋華,男,副教授.摘 要:針對一般失效機理的分析可提高功率半導體器件的可靠性.利用多種微分析手段,分析和小結了功率器件芯片的封裝失效機理.重點分析了靜電放電(electrostatic d ischarge ,ESD導致的功率器件失效,引入了ESD 電熱理論模型.實驗證明,該模型能快速準確地分析金屬引線的抗ESD 強度.關鍵詞:功率器件;失效分析;靜電放電;金屬

2、引線中圖分類號:TN 306 文獻標志碼:A如今,在電信服務器電源、感應加熱應用、不間斷電源(uninterrupted po wer supply ,UPS、手機、汽車電子、等離子電視、液晶電視等領域,能承載較大功率的功率半導體器件得到了廣泛的應用.功率MOS 、絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor ,I GBT以及功率集成電路(po wer I C ,PI C為主的器件組成了目前流行的功率半導體器件.隨著功率器件向大功率,高頻率,集成化方向發展,器件結構日趨復雜,工作產生的熱應力也隨之增加,封裝的好壞對于器件的表現有著很大的影響1.除了封裝缺

3、陷以外,功率器件的另一大失效原因是環境因素或客戶的不正常應用造成的靜電放電(e lectrostatic d ischarge ,ES D.本文就功率器件的封裝和ES D 失效機理作分析研究,為提高功率半導體器件的可靠性提供科學的途徑.1 失效機理的分析及其分析手段驗證1.1 利用X 射線透視分析器件焊接和金線打線缺陷X 射線能穿透一般可見光所不能透過的物質,它的穿透力與物質的密度有關系.在半導體工業,X 射線一般用于重金屬元素分析,如焊料空洞,金線異常等封裝缺陷.如圖1所示:圖1(a中芯片焊接部分存在明顯的焊料空洞,空洞中的氣體會嚴重影響器件的散熱性能,導致器件在正常工作時過熱失效;圖1(b

4、中的金線鍵合部位存在異常的彎曲,會導致金線和芯片其他部分接觸,造成短路.圖1 X 2ray 透視結果(by DAGE XL 6500F i g .1 The scann i ng res u lts of X 2ray第48卷 第1期2009年2月復旦學報(自然科學版Journa l of Fudan Un iversity (Natural ScienceVo.l 48No .1Feb .20091.2 利用掃描電子顯微鏡分析器件芯片引線鍵合缺陷掃描電子顯微鏡(scann i n g e lectron m icroscope ,S E M 放大倍數高,景深大,是半導體工業最常用來觀察微觀形

5、貌的工具.利用SE M 樣品臺的翻轉旋轉,可以方便的觀察芯片引線鍵合的情況.如圖2所示,圖2(a中的芯片引線和底部框架發生鍵合脫離(bond lift,圖2(b中引線的跟部發生斷裂(hee l crack,這些缺陷都會造成芯片開路失效 .圖2 SE M 掃描結果(byH I TACH I S 3000H F i g .2 The scanni ng resu lts by SE M圖3 C 2SA M 掃描結果(by SONIX UHR 22001F ig .3 The scann i ng result of C 2S AM1.3 利用超聲掃描顯微鏡分析器件封裝時的分層缺陷超聲顯微鏡(sca

6、nni n g acoustic m icr oscope ,S A M 的工作原理是利用超聲波在不同介質中的反射和傳播不同,特別對于不同材料的界面反應非常敏感這一特性,來分析界面是否存在分層或空洞.圖3為某功率器件的S A M 分析,芯片和引線框架區域都與環氧塑封料(epoxy mol d ingco mpound之間存在嚴重的分層(器件深色區域為分層.分層現象不但會使器件在高溫高濕環境下工作時引入外界濕氣,污染芯片表面,造成器件性能退化和金屬材料腐蝕,還會引起散熱不良導致芯片過熱失效.通過S A M 可以檢查器件內部分層情況,并定位分層區域2.1.4 小結功率器件封裝失效機理可以根據封裝工

7、藝流程分成3個部分,芯片焊接(die attach時的焊料缺陷,打線(wire bond時的引線缺陷,最后塑封成型(mol d i n g時的分層缺陷.除了采用以上3種分析手段定位和分析封裝缺陷外,對于比較復雜的封裝缺陷,如因為打線外力對芯片造成的打線損傷(bonding da m 2age,環境或操作不當造成芯片沾污等,還可以利用聚焦離子束(f ocused i o n bea m,FI B,能量彌散X 射線探測器(energy dispersi v e X 2ray detector ,EDX 等分析手段.FI B 可利用離子束去除芯片表面絕緣層或金屬層,從而觀察引線鍵合部分下層的芯片損傷

8、.EDX 可利用元素分析功能判斷是否存在外來污染.2 功率器件的ESD 失效分析功率器件屬于ES D 敏感器件,特別是在汽車行業中,ES D 是其失效的重要原因3.大能量的ESD 會直接導致功率器件的燒毀,其過程為器件內部因某種原因發生短路,電容中存儲的能量在幾百納秒的時間內釋放出來,由于時間極短,能量的峰值可達到100M W.這些能量通過器件的歐姆元件(引線和硅片得到釋放,大部分能量傾向于通過引線,使其熱蒸發,由此產生的沖擊波迅速的傳播到整個硅片,最終導致器件毀滅性的破壞4.由于ESD 能量傾向于通過引線釋放,器件的ES D 表現在很大程度上受到金屬引線承受ES D 能力的限制.隨著未來功率

9、器件的小型化,器件內部金屬引線的抗ESD 能力也隨之降低,因此人們開始越來越注79第1期王振雄等:功率器件芯片封裝和靜電放電失效分析重引線的ESD 可靠性.Behka m 等人曾經分析過ESD 對氧化鋁的電熱關系5,但一般都假設瞬間電流的恒定以及熱系統的絕熱性.這一假設基本忽略了絕緣介質,實際上氧化層在瞬時脈沖對金屬引線的加熱過程中扮演了十分重要的角色,其熱容會顯著地降低金屬溫度的上升速度,避免金屬過早熔化失效.本文考慮了金屬周圍覆蓋的氧化層,并假設引線溫度分布均勻,采用一個簡化的RC 模型,并忽略金屬的熱阻和把三維熱傳導簡化為一維,可以得出ES D 脈沖對金屬引線的加熱關系,脈沖波形以人體模

10、型(hu m an 圖4 鋁金屬熔絲(by Jeol 6701F ig .4 A l u m i nu m m eta l fuse bodymode,l H B M 為例,金屬的溫度可以表示為6,T (t=RR TSi O 2S V ES D R HB M 2C (texp -t S ;(1(1式中,R 為金屬的電阻,R TSi O 2為氧化層熱阻,R HB M是H B M 模型的電阻(約15008,V ESD 為加在HB M模型電容上的電壓,S 為金屬系統的熱時間常數,C (t是和H B M 脈沖時間常數有關的函數,一般取70ns .為了便于研究,以功率器件中常見的金屬熔絲(f use為例

11、,見圖4.金屬部分是鋁,表面鈍化層為二氧化硅,可由(1式解得時間為t max 時,金屬引線的溫度達到最大值T m ax .T max µ7010-9RQ Al c p Al 1b 2h 2A l V ES D R HB M 2exp -t m ax S ;(2(2式中t m ax =-7510-9ln 1.0510-9h Si O 2Q Al c p A l h A l +Q Si O 2c pSi O 2h SiO 2,S =R TSi O 2(C TSiO 2+C TA l ,R TSi O 2=h TSi O 2K Si O 2bl ,C T =Q c p hlb ,R 為金屬

12、電導率,Q 為密度,c p 為定壓比熱,l 為長度,b 為寬度,h 為厚度,K 為熱導率,C T 為熱容.取圖4中熔絲的參數為例,l =10L m ,b =1.5L m ,h Al =0.6L m ,h SiO 2=0.3L m .查文獻可知R Al =0.23108(8#m -1,K Si O 2=0.014W /(c m #e ,Q Al =2.7g/c m 3,c p A l =0.902J /(g #e ,Q SiO 2=2.26g/c m 3,c pSi O 2=0.23J/(g #e .將以上參數代入(2式得,當V E S D =1700V 時,T M 達到鋁的熔點933K 左右,

13、鋁開始熔化,并可能發生開路.由此可得到熔絲的ES D 失效臨界點為1700V 左右.為驗證上述理論模型,利用靜電放電測試機臺Ther m o KeyTek 模擬H B M 模型下ES D 脈沖,將熔絲兩端引出加脈沖,幅度從100V 開始逐漸增加,增加幅度100V ,在1800V 以前,熔絲的伏安曲線為一直線,斜率無變化,說明熔絲仍良好.加1900V 電壓后,伏安曲線呈二極管特性,斜率大幅降低,說明此時熔絲已開路.相關伏安曲線見圖5;實驗結果和理論計算結果基本一致,證明了此模型是比較符合實際情況的.80復旦學報(自然科學版第48卷實驗結果見圖6,遭受1900V 脈沖沖擊后的熔絲表面的二氧化硅鈍化

14、層已被完全破壞和燒毀,并且發生大面積的迸發,二氧化硅和鋁散落在熔絲的四周.分析表明,實際上在鋁線開路失效前,金屬很可能已經局部開始熔化,但是由于鈍化層的保護作用,金屬并沒有斷路.隨著溫度上升,金屬整體開始熔化,熔融的金屬和鈍化層之間的不匹配產生的熱應力越來越大,直到鈍化層開裂,金屬流出,才造成熔絲的開路.因此,失效時的溫度實際已經超過了金屬的熔點.據(2式計算,V ESD =1900V 時,T M =929e ,已超過了鋁的熔點,而當熱應力造成鈍化層開裂斷路時,失效溫度一般都在1000e 以上6.本文計算得出的溫度值略偏小,是因為此模型忽略了金屬阻值的變化,實際上隨著溫度的上升,金屬的電阻會變

15、大,電導率R 就會變小,導致計算得出的T M 比實際值偏小.ES D 的失效分析證明,本文模型與實驗結果基本吻合,可以解釋ESD 和金屬引線的電熱關系,預測功率器件的金屬引線的ES D 失效電壓,從而在整體上提高功率器件的ES D 可靠性.3 結 論隨著功率器件向大功率,集成化方向發展,封裝也日趨復雜,由封裝缺陷引起的失效嚴重制約了功率器件的可靠性.本文就封裝工藝的流程將封裝失效機理歸類總結,并就不同失效機理提出了適用的失效分析手段并加以驗證,為封裝失效分析提供了依據.ES D 是功率器件失效的另一重要原因,由于未來功率器件的ES D 可靠性越來越取決與內部金屬引線的抗ESD 能力.本文引入了

16、一個快速而準確的金屬引線ESD 可靠性分析模型,用于研究金屬引線的ES D 失效閾值,這有助于從設計階段估算功率器件的ESD 可靠性.隨著功率半導體器件的不斷應用,其對設備性能的影響也越來越大,世界各國對于功率器件的失效分析和可靠性研究投入巨大.本文對其封裝和ES D 兩大失效模式的分析研究,有助于提高功率器件的可靠性,為功率器件性能的發展提供參考.參考文獻:1 Shena i K .H i gh 2po wer robust se m iconductor e l ectronics technolo gies i n t he ne w m illenn i u m J.M icroele

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25、2bit40MS/s p i pe li ned A/D co nverte rs is desi gned.FFT spectrum sho ws tha tw it h19MH z?1.2V si nusoida l input t he S/H c ircuit achieves si gna l2to2noise2and2dist orti on ra tio of101.7dB and spurio us2free dyna m ic range of111.8dB.I mp l em ented in0.18L m CMOS process,the circu it operati ng at1.8V sup2 p l y voltage d issi pates o n l y5m W of po wer.K eywor ds:samp l e/hol d c ircu it;pipe li ned A/D conve rter;c l ass2AB output stage;o pa m p;lo w po wer(上接第81頁Packa

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