塑封半導(dǎo)體功率電子器件分層及可靠性分析

楊俊

摘 要：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。封裝分層會(huì)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，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。本文主要對(duì)塑封功率器件分層進(jìn)行解釋，研究封裝分層的具體機(jī)制，并提出工藝改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體功率電子器件；塑料封裝；分層；粘接強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TN386 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）14-0081-03

Discussion on Delamination and Reliability Analysis of

Plastic-sealed Power Devices

YANG Jun

（China Zhenhua Group Yongguang Electronics Co.，Ltd.（State-owned 873），Guiyang

Guizhou 550018）

Abstract： Plastic package is the power semiconductor devices are the main package， but the plastic package of non-gas tight potential reliability issues， the package hierarchy is one of the most common failure modes. The package hierarchy is usually in the water vapor and thermal stress of synergy， operating temperature very high power devices are prone to occur. The encapsulation layer can result in bonding leads off， chip surface metal layer and the passivation layer damage， the popcorn effect， metal corrosion so that the plastic performance dramatically reduce or even failure. The wide application of power devices put forward higher requirements for packaging reliability. This paper mainly explained the delamination of plastic power devices， studied the specific mechanism of packaging layering， and put forward the process improvement plan.

Keywords： semiconductor power electronic devices；plastic packaging；delamination； bonding strength

塑封器件受封裝材料和本身特性的限制，采用環(huán)氧樹脂塑封料進(jìn)行封裝。塑封器件是非氣密性封裝，在封裝方面就存在一些缺點(diǎn)，最主要的缺點(diǎn)就是對(duì)潮氣比較敏感。濕氣的侵入，會(huì)使電子封裝中產(chǎn)生一些可靠性問題，特別是分層現(xiàn)象。對(duì)處于較高溫度工作的塑封半導(dǎo)體功率電子器件來(lái)說(shuō)，分層現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。相較于塑封器件，在使用或是在可靠性試驗(yàn)時(shí)，分層相對(duì)于常溫貯存的普通塑封器件更容易產(chǎn)生，且在較高的溫度下，擴(kuò)展和蔓延在分層現(xiàn)象中更容易形成，進(jìn)而造成器件失效。

因此，面對(duì)濕和熱時(shí)，塑封半導(dǎo)體功率電子器件會(huì)愈加敏感，受濕氣影響，分層會(huì)給器件可靠性帶來(lái)更大危害。界面分層的形成相對(duì)于塑封料與其他材料間的成因有多種，如受污染的注件表面，不良注塑工藝條件的存在，因失配的熱膨脹系數(shù)而引起的剪切應(yīng)力，水汽侵入及熱應(yīng)力形成的爆米花效應(yīng)等[1]。

1 塑料器件失效模式及原因分析

1.1 塑料器件失效模式

從失效模式來(lái)說(shuō)，早期失效和使用期失效是主要模式。

1.1.1 塑封早期失效。早期失效多是由封裝工藝的不完善造成的，主要發(fā)生在芯片焊接、引線鍵合和模塑料注塑等封裝工藝過(guò)程中，主要表現(xiàn)形式有以下4方面。①芯片上的焊接或粘接缺陷，如燒焊空洞、芯片位置偏移、同心度差、溢出焊盤的焊料導(dǎo)致短路、不牢固的焊接芯片和較弱的剪切強(qiáng)度等。②引線鍵合上的缺陷，如鍵合點(diǎn)的脫落、偏移、彈坑；線尾過(guò)長(zhǎng)引、線間短路、引線形狀異常等。③塑封料因流動(dòng)性問題而形成的注塑缺陷，如沖絲導(dǎo)致的金線間短路或金絲斷裂；塑封料層空洞、氣孔或填充不完全；基板移動(dòng)等。④熱脹冷縮的收縮應(yīng)力在塑封料固化中形成的封裝缺陷，如損傷或斷裂的引線、焊球或焊點(diǎn)；受損傷的芯片鈍化層或表面金屬化；焊接或粘接界面分層等。

1.1.2 塑封器件使用期失效。使用期失效是發(fā)生在器件服役過(guò)程中的失效。使用期失效機(jī)制可以分為因材料熱膨脹系數(shù)差異所導(dǎo)致的熱應(yīng)力破壞與濕氣滲透所導(dǎo)致的破壞2大類。

國(guó)外產(chǎn)品工作結(jié)溫大多都能達(dá)到150℃，甚至更高，而在國(guó)內(nèi)，產(chǎn)品工作結(jié)溫只能勉強(qiáng)達(dá)到150℃，且受濕熱的影響，產(chǎn)品可靠性極易出現(xiàn)較大的退化。使用期失效的主要表現(xiàn)形式有以下兩種[2]。

1.1.2.1 熱應(yīng)力破壞。在溫度循環(huán)及高溫下，因熱膨脹系數(shù)在塑封料、芯片和引線框架材料間存有一定差異，封裝后，應(yīng)力集中生成在器件體內(nèi)局部。當(dāng)熱應(yīng)力水平超過(guò)塑封材料的機(jī)械或斷裂強(qiáng)度時(shí)，極易造成器件失效。一般情況下，環(huán)氧樹脂玻璃的轉(zhuǎn)變溫度（Tg）較低，多在150℃以下。處于此溫度范圍，環(huán)氧樹脂材料的熱膨脹系數(shù)接近或超過(guò)環(huán)氧樹脂的Tg，器件在較強(qiáng)的熱應(yīng)力作用下極易失效。最常見的失效現(xiàn)象即塑封分層，塑封料、芯片和引線框架的粘接面受熱應(yīng)力影響而造成剝離或分離的產(chǎn)生，這會(huì)導(dǎo)致水汽滲透加劇，甚至?xí)剐酒砻娼饘倩瘜踊蜮g化層的損壞；在某些因散熱不當(dāng)芯片表面局部高溫甚至?xí)顾芊饬咸蓟?，造成金屬條間短路；長(zhǎng)期處在工作狀態(tài)中的器件，尤其是高低溫反復(fù)循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下，還可能會(huì)發(fā)生焊料的疲勞失效等。

1.1.2.2 濕氣破壞。濕氣可以通過(guò)粘接界面或環(huán)氧樹脂本身滲透進(jìn)入封裝體內(nèi)部。這里所說(shuō)的“濕氣”可能以單一的蒸汽狀態(tài)存在，也可能以氣、液混合狀態(tài)存在。在實(shí)際工作中，“受潮”是諸多類型失效的根源所在。若濕氣帶有較多離子，就很容易造成芯片表面或引線框架被腐蝕，從而導(dǎo)致器件電性能的退化。附著有腐蝕效應(yīng)的離子會(huì)促進(jìn)粘接或焊接面上環(huán)氧樹脂的加速離解，進(jìn)而讓濕氣更容易滲透到塑料封裝體的內(nèi)部。此外，處于回流焊過(guò)程中的塑封器件，附著在封裝外殼中的水分會(huì)快速汽化，造成塑封料膨脹，導(dǎo)致分層剝離和開裂現(xiàn)象，俗稱“爆米花”現(xiàn)象[3]。

1.2 原因分析

從材料及工藝手段來(lái)說(shuō)，塑料器件失效的原因主要包括以下5方面。

①材料易吸潮。塑封材料吸潮后會(huì)影響參數(shù)性能及可靠性，且器件封裝前的潮氣也會(huì)影響產(chǎn)品可靠性，因此，溫度類篩選及試驗(yàn)考核是非常必要的。

②材料匹配問題。塑料封裝的熱膨脹系數(shù)過(guò)大，封裝以后及后續(xù)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致發(fā)生分層。推薦機(jī)械應(yīng)力篩選、熱性能篩選及考核。

③塑封料的粘接性差。由于塑封料的粘接性差，導(dǎo)致粘接強(qiáng)度變差，后續(xù)工作易分層。推薦機(jī)械應(yīng)力篩選、熱性能篩選及考核。

④預(yù)處理不到位。引線框架和芯片未經(jīng)徹底清洗，易有大量殘留物質(zhì)，這會(huì)降低粘接強(qiáng)度，導(dǎo)致分層。

⑤塑料固化時(shí)間短。塑封廠家縮短塑料的固化時(shí)間，導(dǎo)致粘接強(qiáng)度差，在進(jìn)行后續(xù)工作時(shí)，芯片容易分層。

2 代表塑封半導(dǎo)體功率電子器件封裝結(jié)構(gòu)對(duì)分層的影響

以TO-252封裝產(chǎn)品為例，主要的結(jié)構(gòu)材料為芯片、環(huán)氧塑封料、引線框架和鍵合絲等。在封裝過(guò)程中，產(chǎn)品分層多存在于不同界面的交接位置。在單一材質(zhì)表面，其分層概率較低，產(chǎn)品封裝質(zhì)量一致性較高；環(huán)氧塑封料與銅基板、芯片表面的粘接均存在一個(gè)過(guò)渡層（邊界層），該層內(nèi)的塑封料與其他部位的塑封料相比性質(zhì)發(fā)生了變化，而粘接過(guò)渡層往往是粘接界面的薄弱部位，分層裂紋容易在其中萌生及擴(kuò)展。圖1為封裝時(shí)出現(xiàn)的產(chǎn)品分層（陰影區(qū)域SAM測(cè)試產(chǎn)品內(nèi)部界面分層）。

應(yīng)力集中和粘接缺陷處是分層裂紋產(chǎn)生的主要位置。正常工藝狀況下的無(wú)分層樣品粘接面上（Cu-EMC）已經(jīng)存在微裂紋，這是分層裂紋擴(kuò)展的“源”。當(dāng)存在分層裂紋擴(kuò)展的“源”的產(chǎn)品處于濕熱應(yīng)力作用下時(shí)，其分層面積擴(kuò)展速度高于無(wú)分層裂紋擴(kuò)展的“源”的產(chǎn)品，試驗(yàn)圖見圖2和圖3。

對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)中主要的不同界面之間（框架與環(huán)氧塑封料和芯片與環(huán)氧塑封料）的粘接強(qiáng)度進(jìn)行分析。在施加一個(gè)較強(qiáng)熱應(yīng)力后，對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部分層情況進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。芯片表面鋁層與環(huán)氧塑封料的粘接效果非常好，遠(yuǎn)高于環(huán)氧塑封料與銅基板之間的粘接強(qiáng)度。提升銅框架與環(huán)氧塑封料之間的粘接強(qiáng)度，是提升產(chǎn)品可靠性的有效途徑[4]。

3 銅框架特性

由于功率器件封裝具有大電流、高功率的特點(diǎn)，功率器件的封裝對(duì)引線框架材料提出了更高的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用中強(qiáng)高導(dǎo)型的Cu-Fe-P合金，該系列合金抗拉強(qiáng)度為362～568MPa，電導(dǎo)率在55%～65%CAS，其主要特性優(yōu)勢(shì)包括高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、良好的熱匹配、良好的耐熱性和抗氧化性。

4 封裝工藝改進(jìn)研究

通常使用粘接強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)膠黏劑性能的指標(biāo)。對(duì)于EMC與銅合金的膠接接頭，粘接強(qiáng)度一般采用EMC在銅合金上的剪切強(qiáng)度來(lái)表征。粘接的強(qiáng)度取決于許多因素，如膠黏劑的選擇、被粘接材料表面處理方法、粘接操作工藝和固化工藝等。主要影響因素包括以下幾方面。

4.1 表面浸潤(rùn)性與粗糙度

當(dāng)膠黏劑良好地浸潤(rùn)被粘材料表面時(shí)，表面的粗糙化有利于提高膠黏劑液體對(duì)表面的浸潤(rùn)程度，增加膠黏劑與被粘材料的接觸點(diǎn)密度，從而有利于提高粘接強(qiáng)度。

4.2 表面處理或改性

粘接前的表面處理或改性是粘接成功的關(guān)鍵，其目的是獲得高粘接強(qiáng)度及提高粘接面的抗介質(zhì)腐蝕能力。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)被粘物表面進(jìn)行表面處理或改性是普遍采用的措施。等離子清洗技術(shù)是現(xiàn)在最優(yōu)秀、最有效的表面處理和改性技術(shù)，能對(duì)銅合金表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)难趸幚?，提高表面的微觀粗糙度，降低表面的接觸角，增進(jìn)EMC與銅合金表面的共價(jià)鍵鍵合，對(duì)于粘接是有利的。

4.3 壓力的施加

在粘接時(shí)，向粘接面施以壓力，使膠黏劑更容易充滿被粘體表面上的坑洞，甚至流入深孔和毛細(xì)管中，減少粘接缺陷。對(duì)于黏度較小的膠黏劑，加壓時(shí)會(huì)過(guò)度地流淌，造成缺膠。因此，應(yīng)在黏度較大時(shí)再施加壓力，也促使被粘體表面上的氣體逸出，減少粘接區(qū)的氣孔。對(duì)于較稠的或固體的膠黏劑，在粘接時(shí)施加壓力是必不可少的手段。在這種情況下，常常需要適當(dāng)?shù)厣邷囟?，以降低膠黏劑的稠度或使膠黏劑液化。為了獲得較高的粘接強(qiáng)度，對(duì)不同的膠黏劑應(yīng)考慮施以不同的壓力。一般對(duì)固體或高黏度的膠黏劑施加較高的壓力，而對(duì)低黏度的膠黏劑施加較低的壓力。

4.4 內(nèi)應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力是影響塑封粘接強(qiáng)度和耐久性的重要因素。在塑料固化階段中，粘接劑因收縮的塑封體積，而造成了收縮應(yīng)力。使得其中的樹脂在固化過(guò)程中普遍伴隨著體積的收縮。聚合反應(yīng)中的體積收縮率分布在一個(gè)較大的范圍內(nèi)，縮聚反應(yīng)和加聚反應(yīng)的體積收縮率比較大，開環(huán)聚合時(shí)的體積收縮較小，體積收縮率比較低，發(fā)生在環(huán)氧樹脂固化過(guò)程中，這是其在電子封裝中被廣泛應(yīng)用的原因之一。降低固化過(guò)程中的體積收縮率對(duì)熱固性樹脂的應(yīng)用有十分重要的意義。降低收縮率通?？梢圆扇∠铝修k法：①降低反應(yīng)體系中官能團(tuán)的濃度；②加入高分子聚合物來(lái)增韌；③加入無(wú)機(jī)填料。

5 結(jié)論

本文對(duì)TO-252封裝形式的功率器件的分層現(xiàn)象進(jìn)行了失效分析，比較了銅基板表面分層與芯片表面分層的異同，分析分層發(fā)生位置及擴(kuò)展機(jī)制。從表面粗糙度、浸潤(rùn)性、熱匹配性和抗氧化性等多個(gè)角度分析銅材框架性能，并從粘接理論的角度進(jìn)行了相關(guān)解釋，提出了工藝改進(jìn)方向。主要結(jié)論如下。

①EMC與銅基板、芯片表面的粘接均存在一個(gè)邊界層，弱邊界層的產(chǎn)生對(duì)粘接強(qiáng)度有較大的削弱作用。

②分層裂紋主要發(fā)生在應(yīng)力集中及粘接缺陷處，在濕熱應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)展。

③銅材合金框架在功率器件上使用存在性能優(yōu)勢(shì)。

④對(duì)封裝工藝進(jìn)行分析，指出封裝質(zhì)量可靠性提升方向。

鑒于塑料封裝形式多樣化，除了類似TO-252的小封裝外，TO-220、TO-247和SOT-227B等大封裝，甚至是模塊化的塑料封裝形式也越來(lái)越多，如何改善塑封器件的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，也將成為今后研究的重點(diǎn)。

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