MOSFET 产品上线失效原因初探.doc

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1、表面贴装MOSFET产品上线高失效原因初探摘要：随着MOSFET产品小型化趋势，产品封装形式由原先的TO-220为主，逐步转换成TO-252（D-PAK）等小型贴装封装形式，SMT（表面贴装器件）大量应用于MOSFET器件产品封装，另一方面随着ROHS（《电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令》）环保法令的实施，组装厂商普遍采用无铅工艺，组装温度由原先的220℃~230℃,提升至250℃~260℃,对原器件可靠性提出了严峻的挑战。稍有疏忽，将导致MOSFET产品大量的上线失效。本文通过笔者曾参与的一次产品售后技术服务，对MOSFET产品上线

2、失效原因进行初步探讨。芯片破裂是MOSFET产品早期失效的重要原因，其失效模式、失效机理亟待深入研究。本文分析了芯片碎裂的失效模式和机理，并结合实际MOSFET产品制造工艺以及MOSFET产品失效分析实例，就硅片减薄、划片、装片及塑封工艺对MOSFET产品芯片碎裂的影响进行深入探讨。关键词：芯片破裂；离层；芯片强度1、产品失效案例分析：1)失效现象：经过电参数测试合格的产品2N**经过客户SMT（无铅工艺260±5℃）生产线贴装后，发现大量产品电参数失效，出现的现象是D、S间漏电，产品短路，失效比例超过50%。2)分析思路：该产品芯片面积较大

3、，且采用TO-252（D-PAK）表面贴装封装形式，产品组装时采用无铅工艺260±5℃，对产品的耐湿等级及气密性要求较高，封装时会碰到大芯片应力匹配等一系列问题。因此根据失效现象重点对产品离层进行调查研究。3)分析方法：模拟SMT生产条件对同封装批次产品进行分析，采用超声扫描仪（C-SAM）对产品进行离层扫描。4)分析过程：（略）5)分析结论：通过对经过SMT工艺试验的产品抽样进行超声扫描，发现产品载片区（PAD）与模塑料之间存在较为严重的离层现象，（详见图片1）图1：红色区域为离层现象经过对失效产品进行解剖，发现失效芯片内部已对裂，详见图2

4、、图3：图2：红圈区域为裂纹图3：芯片取下后呈断裂状解剖结果与电参数失效项目完全吻合，表明产品经过表面贴装，在高温的影响下，芯片破裂导致电参数失效。这是一个非常典型的因封装未解决应力问题而引起芯片破裂最终导致产品失效的案例。1、芯片碎裂概述：芯片碎裂是硅器件的一种失效模式，约占早期失效总数的1％，而对于薄芯片的MOSFET产品，芯片碎裂则占其失效的较大比例。虽然，通过改进封装设计、限制器件使用环境可以有效地防止芯片碎裂引起的器件失效，但即使在良好的设计、合格的制造工艺以及规范的使用环境下，依然存在着一定的芯片碎裂几率。随着器件可靠性级别和系统

5、复杂程度的不断提高，十分有必要对芯片碎裂失效机理加以进一步的研究。2、芯片碎裂的机理芯片碎裂是由内外因素造成的，内因：芯片强度存在“脆弱”之处。外因：在外加条件（受热、通电热耗散）作用下，应力导致对芯片的剪切力。相对应力而言，芯片的强度差异影响非常微小，因此芯片碎裂主要是由应力造成的。应力产生的原因随具体情况而不同：硅片前道工艺中的外延层淀积、扩散和离子注入、氧化、退火、淀积形成欧姆接触、金属内连、钝化层淀积：硅片后道工艺中的机械减薄(研磨、抛光)、化学减薄(湿法或者干法刻蚀)、背面金属层淀积；封装工艺中的划片、装片、压焊、塑封等都将会产生或

6、影响硅片／芯片的应力。其中，减薄、装片、压焊、塑封是产生芯片碎裂隐患的主要工序。更为严重的是，一般在工艺过程中观察不到碎裂现象，只有产品经过热固化或者器件热耗散时的瞬时加热，特别对表面贴装器件波峰焊接时的瞬间高温的作用下，由于芯片和封装材料热膨胀系数存在差异或者使用中受外界应力作用，芯片碎裂才会最终显现。例如：穿过结的裂纹可能导致短路或者漏电，（以上案例就是一个证明）。裂纹也可能全部或者部分截断电路。最为致命的是，裂纹引起的这些效应只有瞬间受热或者电流通过时才会显现，而标准的电性能测试则根本无法检测到这些失效。比较有效的检测手段是模拟器件使用

7、环境，运用超声扫描仪（C-SAM）对产品进行离层扫描，如以上案例分析使用的方法，通过对离层的检测预防芯片的破裂发生。1、离层的定义：离层又叫分层，在电子封装中，是可靠性评价的一个主要方面。分层是塑封体内部各界面之间发生了微小的剥离或裂缝，一般在l～2μm以上。主要发生的区域包括：封装树脂与芯片界面之间、封装树脂与（PAD）载片界面之间、封装树脂与引线框架界面之间、芯片与银浆（焊料）界面之间、银浆（焊料）与引线框架界面之间。（见下图）2、离层的机理产生离层的工序是塑封工序，导致离层的因素主要为两个：一是芯片与封装树脂、芯片与装片焊料、引线框架材

8、料与封装树脂等之间的热膨胀系数不匹配使产品瞬间受热时内部产生巨大应力，导致分层；二是封装树脂耐湿性差，产品吸湿。当封装体在环境温度剧变时，内部水分急剧汽化，当蒸汽压