塑封功率器件分層失效機理研究與工藝改進.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)展相對滯后,一定程度上已經(jīng)制約了功率器件性能的進一步提高。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帶來潛在的可靠性問題,封裝分層就是其中最常見的一種失效模式。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)分層機理的研究還相當(dāng)有限,特別是從EMC-Cu粘接的角度上對分層進行解釋還未見報道。因此,研究封裝分層的具體機制并提出工藝改進方案對功率器件可靠性的提高具有指導(dǎo)意義。
　　 本文對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行了失效分析,對斷口及截面進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、分層的不同機制,同時利用共焦顯微拉曼光譜對粘接邊界層進行了研究。
　　 對濕熱老化條件下分層造成的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象進行了與實際器件結(jié)構(gòu)符合的Sn-Cu-SnPb串級體系的電化學(xué)特性,確定了早期銅的縫隙腐蝕和Cu-SnPb的電偶腐蝕機理,發(fā)現(xiàn)了電化學(xué)腐蝕對分層擴展的促進作用。
　　 對于封裝工藝來講,切實可行的改進措施就是對銅引線框架進行適當(dāng)?shù)难趸幚?。研究了氧化處理對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,提出了工藝改進措施。測定了某種銅合金引線框架在不同氧化條件下與某種EMC的粘接強度,總結(jié)了最佳引線框架處理方法,并評估了優(yōu)化工藝后器件在濕熱老化及缺口試驗中的表現(xiàn)。
　　 實驗結(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,分層裂紋的擴展的主要機制是濕熱應(yīng)力及電化學(xué)腐蝕,對氧化層及邊界層進