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1、第48卷第1期复旦学报(自然科学版)Vo.l48No.12009年2月JournalofFudanUniversity(NaturalScience)Feb.2009文章编号:042727104(2009)0120078204功率器件芯片封装和静电放电失效分析王振雄,曾韋華(复旦大学材料科学系,上海200433)摘要:针对一般失效机理的分析可提高功率半导体器件的可靠性.利用多种微分析手段,分析和小结了功率器件芯片的封装失效机理.重点分析了静电放电(electrostaticdischarge,ESD)导致的功率器件失效
2、,引入了ESD电热理论模型.实验证明,该模型能快速准确地分析金属引线的抗ESD强度.关键词:功率器件;失效分析;静电放电;金属引线中图分类号:TN306文献标志码:A如今,在电信服务器电源、感应加热应用、不间断电源(uninterruptedpowersupply,UPS)、手机、汽车电子、等离子电视、液晶电视等领域,能承载较大功率的功率半导体器件得到了广泛的应用.功率MOS、绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)以及功率集成电路(powerIC,PIC)为主的器件组
3、成了目前流行的功率半导体器件.随着功率器件向大功率,高频率,集成化方向发展,器件结构日趋复杂,工作产生的热应力也随之增[1]加,封装的好坏对于器件的表现有着很大的影响.除了封装缺陷以外,功率器件的另一大失效原因是环境因素或客户的不正常应用造成的静电放电(electrostaticdischarge,ESD).本文就功率器件的封装和ESD失效机理作分析研究,为提高功率半导体器件的可靠性提供科学的途径.1失效机理的分析及其分析手段验证1.1利用X射线透视分析器件焊接和金线打线缺陷X射线能穿透一般可见光所不能透过的物质,它的
4、穿透力与物质的密度有关系.在半导体工业,X射线一般用于重金属元素分析,如焊料空洞,金线异常等封装缺陷.如图1所示:图1(a)中芯片焊接部分存在明显的焊料空洞,空洞中的气体会严重影响器件的散热性能,导致器件在正常工作时过热失效;图1(b)中的金线键合部位存在异常的弯曲,会导致金线和芯片其他部分接触,造成短路.图1X2ray透视结果(byDAGEXL6500)Fig.1ThescanningresultsofX2ray收稿日期:2008208201作者简介:王振雄(1982)),男,硕士研究生;通讯联系人曾韋華,男,副教授
5、.第1期王振雄等:功率器件芯片封装和静电放电失效分析791.2利用扫描电子显微镜分析器件芯片引线键合缺陷扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope,SEM)放大倍数高,景深大,是半导体工业最常用来观察微观形貌的工具.利用SEM样品台的翻转旋转,可以方便的观察芯片引线键合的情况.如图2所示,图2(a)中的芯片引线和底部框架发生键合脱离(bondlift),图2(b)中引线的跟部发生断裂(heelcrack),这些缺陷都会造成芯片开路失效.图2SEM扫描结果(byHITACHIS3000H)Fig
6、.2ThescanningresultsbySEM1.3利用超声扫描显微镜分析器件封装时的分层缺陷超声显微镜(scanningacousticmicroscope,SAM)的工作原理是利用超声波在不同介质中的反射和传播不同,特别对于不同材料的界面反应非常敏感这一特性,来分析界面是否存在分层或空洞.图3为某功率器件的SAM分析,芯片和引线框架区域都与环氧塑封料(epoxymoldingcompound)之间存在严重的分层(器件深色区域为分层).分层现象不但会使器件在高温高湿环境下工作时引入外界湿气,污染芯片表面,造成器件
7、性能退化和金属材料腐蚀,还会引起散热不良导致芯片过热失效.通过SAM可以[2]图3C2SAM扫描结果(bySONIXUHR22001)检查器件内部分层情况,并定位分层区域.Fig.3ThescanningresultofC2SAM1.4小结功率器件封装失效机理可以根据封装工艺流程分成3个部分,芯片焊接(dieattach)时的焊料缺陷,打线(wirebond)时的引线缺陷,最后塑封成型(molding)时的分层缺陷.除了采用以上3种分析手段定位和分析封装缺陷外,对于比较复杂的封装缺陷,如因为打线外力对芯片造成的打线损伤
8、(bondingdam2age),环境或操作不当造成芯片沾污等,还可以利用聚焦离子束(focusedionbeam,FIB),能量弥散X射线探测器(energydispersiveX2raydetector,EDX)等分析手段.FIB可利用离子束去除芯片表面绝缘层或金属层,从而观察引线键合部分下层的芯片损伤.EDX可利用元素分析功
