（微电子学与固体电子学专业论文）功率UDMOS器件封装及其可靠性研究.pdf

摘要 集成电路，消费类电子以及汽车电子的发展，不断对功率器件的发展提出了 各种各样的要求。缩小器件尺寸，提高导通电流与能效是未来很长一段时间功率 器件的发展趋势，功率u d m o s 器件正好能满足这一发展要求，其市场应用前景也 越来越广泛。但同时，则给功率器件的封装技术及可靠性带来了巨大的挑战。本 文的研究主要包括了如下的几个部分： ( 1 ) 首先给出了功率器件t 0 2 2 0 ，d ip a k ，s o 系列等封装完整的工艺步骤以 及主要检测方法，并结合工艺参数，分析各道工序中影响器件可靠性的关键因素。 ( 2 ) 结合实验以及有限元的分析方法，深入研究了回流焊前后2 - 5 m i l 铝引线 的可靠性问题，重点分析了引线焊点剥离失效以及引脚跟断裂失效机制。 1 对于焊点剥离，实验发现氧化的引线框架会导致引线与框架间焊点粘附强度 降低，回流焊后发生焊点与框架剥离。并且发现典型的焊点剥离失效的连接 性电学测试现象：低峰值交流测试电压下显示开路，而高峰值测试电压下显 示正常。 2 回流焊工艺的热机械效应会加速原先潜在焊点剥离失效机制的发生，三维有 限元模拟可以有效地模拟回流焊温度作用下，由于封装体内不同材料热膨胀 系数而导致的热应力及应变分布，从理论上说明导致焊点失效的原因。在模 拟中发现，引线与框架焊点界面处张应力随着温度上升而提高，而且在栅焊 盘( g a t ep a d ) 铝线引脚跟处( h e e lr e g i o no fb o n d i n gw i r e ) 也存在着较 大塑性应变，回流焊后有一定的塑性应变积累。 3 通过温度循环加速实验直观分析了引脚跟处塑性积累的变化，并通过栅源交 流电阻的测量反映了对器件可靠性的影响。 ( 3 ) 分析贴片焊层( d i ea t t a c hl a y e r ) 厚度以及气泡对器件可靠性的影响。 1 在功率循环可靠性实验中发现贴片材料厚度小于l o 岬的样品在0 5 k 功率循 环后均未能通过r d s ( o n ) 测试，失效分析显示在贴片焊层中裂纹的存在是导 致失效的主要原因。 2 为了对这一问题有更深入的理解，利用焊料a n a n d 的材料粘塑性模型以及 d a r v e a u x 疲劳寿命预测方法，用有限元方法模拟功率循环下的贴片层裂纹的 i i i 产生及其延展，最后计算得到器件寿命，并进一步比较了不同焊层厚度对器 件寿命的影响。发现模拟结果能较好地符合实验结果，并得到2 8 舯是满足 器件可靠性要求的最小贴片焊层厚度。 3 结合d v d s 测试方法，将该模型扩展应用于含有气泡的的贴片层中，分柝气 泡对器件瞬态热扩散性能的影响，发现大于1 0 的气泡将会严重影响器件的 热扩散能力。 ( 注：本文的研究是基于复旦大学与f a i r c h i l d ( s u z h o u ) 的合作项目，样品的制 备以及工艺条件的选择是基于f a i r c h i l d 公司的s p e c ，作者主要完成样品的失效 分析，电学测试以及有限元建模分析。) 关键词：功率器件封装，可靠性，铝引线，贴片层，有限元 中图分类号：t n 3 0 5 9 4 ，t p 2 0 2 + 1 i v a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fv l s i ，e n n s u n l e re l e c t r o n i c sa n da u t oe l e c t r o n i c sp u t sm o r e a n dm o r ed e m a n d i n gr e q u i r e m e n t sf o rp o w e rd e v i c e s s h r i n k i n g , i n c r e a s i n go n - s t a t e c u r r e n ta n dp r o m o t i n ge f f i c i e n c ya l et h el o n g t i m et r e n df o rt h ed e v e l o p m e n to f p o w e rd e v i c e s u d m o sc h i ps t r u c t u r ef o rp o w e rd e v i c eg i v e sag o o dc h o i c e , a n d q u i c k l yd o m i n a t e st h ei n d u s t r y a tt h es a m et i m e ，i tp u t sah u g ec h a l l e n g ef o rt h e p a c k a g et e c h n o l o g ya n dd e v i c er e l i a b i l i t y t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e ss u c hs e c t i o n s ： ( 1 ) f i r s t l y , i n t r o d u c et h ep r o c e s ss t e p sf o rp o w e rm o s f e tp a c k a g es t y l e ：t 0 2 2 0 ， d ip a ka n ds os e r i e s ，a n dt h em a i nd e t e c t i n gm e t h o d sd u r i n ge a c hs t e p c o m b i n e d w i mp r o c e s sp a r a m e t e r s t h ef a c t o r sa f f e c t i n gd e v i c e sr e l i a b i l i t ya r ea l s op u tf o r w a r d ( 2 ) d e e p l ys t u d yt h er e l i a b i l i t yp r o b l e m sf o r2 - 5 m i la l u m i n u mb o n d i n g w i r eb o t hi n e x p e r i m e n t sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n df o c u s o nt w of a i l u r em e c h a n i s m s ： b o n d i n gl i f ta n dh e e lc r a c k 1 t h eo x i d a t i o no f l e a df r a m ec a nl e a dt od e g r a d a t i o no f a d h e s i v es t r e n g t hb e t w e e n b o n d i n gw i r ea n dl e a df r a m e ，a n db o n d i n gl i ri sf o u n da f t e rs o l d e rr e f l o w t h e t y p i c a lt e s tp h e n o m e n o ni no p e n s h o r tt e s tf o rt h i sf a i l u r ec a nb es u m m a r i z e dh e r e ： o p e ni nt h ec o n d i t i o no fl o wt e s t i n ga p p l i e dv o l t a g e , a n dc o n n e c t i o nn o r m a li n l l i g ha p p l i e dv o l t a g e 2 t h et h e r m a l - m e c h a n i c a le f f e c td u r i n gs o l d e rr e f l o wa c c e l e r a t e s t h ef a i l u r eo f b o n d i n gl i f t a3 df i n i t ee l e m e n tm o d e li sb u i l tt os i m u l a t et h et h e r m a ls t r e s sa n d s t r a i nd i s t r i b u t i o ni np a c k a g ec a u s e db yc t em i s m a t c ho f d i f f e r e n tm a t e r i a l s ，a n d t h em e c h a n i s mi np r i n c i p l ei sc l e a r l ys e 吼f r o mt h er e s u l t s t h et e n s i l es t r e n g t h b e t w e e nt h e i ri n t e r f a c ei n c r e a s el i n e a r l yw i l l lt h et e m p e r a t u r e b e s i d e st h i s i t s a l s of o u n dt h a tl a r g ep l a s t i cs t r a i ne x i s t si nt h eh e e lr e g i o no f b o n d i n gw i r ea tc h i p g a t ep a d , a n ds o m e s t r a i na c c u m u l a t i o nh a p p e n sa f t e ras o l d e rr e f l o wp r o c e s s 3 u s et h et e m p e r a t u r ec y c l i n gt e s tt od e t e c ts t r a i nv a r i a t i o ni nt h i sr e g i o n , a n di t s e f f e c t0 1 1d e v i c er e l i a b i l i t yc a l lb er e f l e c t e df r o mt h eg a t et os o u r t r e s i s t a n c e v ( 3 ) a n a l y z et h ee f f e c to fb o n d i n gl i n et h i c k n e s s ( b e t ) a n dv o i di nd i ea t t a c hl a y e r o l lr e l i a b i l i t yo f p o w e rd e v i c e 1 i n0 1 1 1 e x p e r i m e n t s ，i ti sf o u n dt h a tt h eb o n d i n gl i n et h i c k n e s sl e s st h a n1 0 p r oi n s o l d e r 啪l e a dt op a c k a g ef a i l u r ea f t e ro 5 kp o w e rc y c l e si nr d s o nt e s t a f t e r c h e m i c a ld e c a p s u l a t i o n , i ti sr e v e a l e dt h a tt h ef a i l u r ei sd u et os o l d e rc r a c kw h i c h c a u s e se l e e t r i c a ld i s c o n n e e t i o n 2 an o n l i n e a rf i n i t ed e m e n tm o d e lf o rp o w e rd e v i c ei st h u si n t r o d u c e dt og e ta f u r t h e ru n d e r s t a n d i n g , a n da na d v a n c e dm e t h o d o l o g yi sd e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t e t h ec o u p l e dt h e r m a l - m e c h a n i c a ic h a r a c t e r i s t i c si n s o l d e r , b a s e do na n a n d s v i s c o p l a s t i em a t e r i a lm o d e l t h e nd a r v e a u x sl i f ep r e d i c t i o ne q u a t i o ni nt e r m so f s t r a i ne n e r g yd e n s i t yi sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ec r a c ki n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o ni n t h e l a y e r f i n a l l y , d i f f e r e n tb o n d i n gl i n e t h i c k n e s s e sa r ec o m p a r e di nt h e s i m u l a t i o n , a n dt h er e s u l t sm a t c hw e l l w i t he x p e r i m e n t s c o m b i n e dw j t l l e x p e r i m e n t a la n df i n i t ee l e m e n t a lr e s u l t s ，2 8 t mc a nb ea c c e p t e da st h em i n i m u m b o n d i n gl i n et h i c k n e s st og u a r a n t e er e l i a b i l i t yd e m a n d s 3 t h em o d e lc a na l s ob e e x p a n d e di n t o t h ea n a l y s i so ft h e r m a lc o n d u c t i n g c a p a b i l i t yf o rp a c k a g e , w h e nv o i de x i s t si nd i ea t t a c hl a y e r f r o md v d st e s t i n g r e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s i t sf o u n dm a tv o i ds i z el a r g e rt h a n1 0 i na r e ao f d i ea t t a c hl a y e rw o u l di n f l u e n c es e r i o u s l yt h et h e r m a lp r o p e r t i e so f d e v i c e ( r e m a r k ：t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c tc o o p e r a t e db o t hb yf u d a nu n i v e r s i t y a n df a i r c h i l d ( s u z h o u ) t h es a m p l e sa n dt h ep r o c e s sc o n d i t i o n sa r ep r e p a r e db y f a i r c h i l ds i d e , a n dt h ef a i l u r ea n a l y s i s ，e l e c t r i ct e s t i n ga n dt h ef i n i t ee l e m e n t a ls t u d y a r ea c c o m p l i s h e db ya u t h o r ) k e yw o r d ：p a c k a g eo fp o w e rd e v i c e , r e l i a b i l i t y , a l u m i n u mw i r e , d i ea t t a c hl a y e r , f i i l i t ee l e m e n t c h i n e s el i b r a r yc l a s s i f i c a t i o nc o d e ：t n 3 0 5 9 4 t p 2 0 2 + 1 v i 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特 别加以标注和致谢的地方外不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成 果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢 意。 作者签名；趔骂生i 选日期；垄虫，点：至p 论文使用授权声明 本人完全了解复舅大学有关保留、使用学位论文的规定，即t 学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被套阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：盔l 数导师签名： ；趁 日期：竺：2 ：_ 御 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究复旦大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 功率器件芯片的发展 1 9 0 6 年，美国物理学家德福列斯特研制成功世界上第一只三极电子管，实 现了电子技术的第一次重大突破： 1 9 4 7 年，美国人肖克利、巴丁和布拉顿一起发明了晶体管，实现了电子技 术的第二次重大突破： 1 9 5 8 年，美国德州仪器公司成功开发出全球第一块集成电路芯片( i c ) ，意 味着晶体管时代的结束，i c 时代的正式开始，这给电子工业尤其是计算机业带 来了巨大变革，它使个人计算机的发明成为可能。这是人类在2 0 世纪电子技术 领域的第三次重大突破。 i c 从最早期的小规模集成电路s s i 发展到现今的超大规模集成电路u l s i 已 经经历了快五十年光阴，给人类的生产生活带来了翻天覆地的变化。实际上，功 率器件芯片的发展离不开集成电路的发展，既是在它的推动下，也是以其为基础 发展壮大起来的。功率器件广泛应用于消费类电子，汽车电子以及电力电子中， 可分为低压大电流和高压大电流两大类。过去主要是采用双极型晶体管b j t ，近 来以来，开始广泛采用利用集成技术而性能得到显著改善的功率m o s f e t 和i g b t ， 使成本以及性能得到很大的提高，特别是从原来的电流驱动型转为现在的电压驱 动型，以及开关能力的提升。表1 所示为三种类型功率器件性能的比较，功率 m o s f e t 已经能够完全满足消费电子以及汽车电子领域低电压( 3 0 - 2 0 0 v ) 大电流的 要求，i g b t 更多是应用于电力电子高电压( 2 0 0 v ) 大电流领域。 f e a t u r e sb j tm o s f e t i g b 丁 d r i v m e t h o d c u r r e n t v o l t a g ev o l t a g e d r i v ec i r c u l t c o m p l e xs i m p l e s i m d l e i n p u ti m p e d a n c e l o w h - 唔h h i g h d r l v ep o w e r h 嗡h l o w l o w s w i t c h i n gs p e e ds l o w ( a s )f a 啦( n s ) m i d d l e o p e r a t i n gf r e q u e n c yl o w ( 1 e s st h a n1 0 0 k ) f a s tf i e 塔t h a ni m h z )m d b s 。o a n a r r o w w i d ew i d e s a t u r a t i o nv o l t a g el o w h h l o w 表i 1 不同类型功率器件属性的比较 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究复旦大学硕士学位论文 现今用到的功率m o s f e t 都是由许多微小晶体管并联组成的，以实现大的导 通电流。图1 ( a ) 所示以n 沟道功率m o s f e t 为例，为了实现大的反向击穿电压以 及导通大电流的考虑，功率器件都采用d m o s 的结构，表面电极包括源极和栅极， 背电极是漏极，电子从芯片表面流向芯片底部删。然后利用互连以及隔离技术， 将不同单元并联起来。图1 ( b ) 所示为该结构的等效电路模型，源漏间存在一个寄 生二极管州，该二极管在最终产品测试中，可以利用其开启电压跟温度的变化 关系，检测内部结温的变化。功率器件芯片从技术上来讲，完全可以将其看成是 一块集成电路芯片，所以功率器件芯片的发展离不开集成电路工艺技术的提高。 另一方面，在消费类电子领域，随着集成电路功能的提高以及便携式应用的要求， 功率器件的发展遇到了各种各样的挑战：缩小器件封装尺寸，提高导通电流与降 低器件能耗是未来很长一段时问功率器件的发展趋势。所以也可以说，集成电路 技术的发展是功率器件发展的原动力。 从器件参数角度来看，提高导通电流与降低器件能耗实际上是要降低漏源导 通电阻( r d s ( o n ) ) 1 ，实现方法主要有如下几种：1 减小源漏距离；2 提高芯片 并联单元密度；3 降低封装导线电阻。其中3 属于封装层次要求，全球著名功率 器件供应商f a i r c h i l d 主要采取措施2 降低电阻。图2 所示为传统型结构( d m o s ) 与新型沟槽型结构( u d m o s ) 的对比，沟槽型结构可以节省单个器件单元所占芯片 面积，所以单个芯片可以集成更多的并联单元，降低了整体的漏源导通电阻。同 时，更多的并联单元也意味着芯片可以提供更大的导通电流，满足了功率器件对 电流的要求。 ( a ) 源极 ( d ) 漏极 _ j 栅极( g a t e ) ( b ) 漏极 ( a ) 图1 - 1 n 沟道功率d m o s 横截面图f 拂等效电路图 2 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究复旦大学硕士学位论文 薹三芦譬伯皓。l 勒恺 附s u b s l r a t e d r a i n (a)(” 图1 2 ( a ) 传统型d m o s 结构( b ) 新型u d m o s 结构( 箭头为器件工作时电子流动方向) 功率器件芯片的飞速发展，给封装技术带来越来越大的压力。从一定程度上 来说，封装技术落后予芯片的发展。封装技术的发展需要满足由于导通电流的增 大而带来的器件功耗问题，以及缩小器件封装尺寸的要求。 1 2 功率器件的封装 根据美国乔治亚理工学院的t u m m a l a 等主编的微电子封装手册中的定义“”， 封装具有四种主要作用( 如图1 3 所示) ：( 1 ) 信号的输入、输出端向外界的过渡 手段；( 2 ) 电源的输入、输出端同外界的过渡手段：( 3 ) 散热；( 4 ) 保护器件不受外 界环境的影响。因此集成电路封装是指将具有一定功能的电子器件芯片，放置在 糍 ( a l s i g n a ld i s t r i b u t i o n ( c ) h e a td i s s i p a t i o n 噫。另隔弋习晰匕夕 ti tt 图l - 3 芯片封装的四种作用示意图 3 功率u d m o $ 器件封装及其可靠性研究 复旦大学硕士学位论文 一个与之相适应的外壳容器中，为芯片提供一个稳定可靠的工作环境；同时，封 装也是芯片各个输出、输入端的向外过渡的连接手段，以及起将器件工作所产生 的热量向外扩散的作用，从而形成一个完整的整体，并通过一系列的性能测试、 筛选和各种环境、气候、机械的实验，来确保器件的质量，使之具有稳定、正常 的功能。除了上述封装的作用外，从应用以及市场的角度考虑，封装必须还要满 足五个基本要求：( 1 ) 满足器件所需的电特性，包括电容，电阻和电感； ( 2 ) 低成本；( 3 ) 产量大；( 4 ) 高可靠性； ( 5 ) 可维修或可更换。 功率器件封装技术的发展离不开半导体封装技术的发展。在半导体工业的早 期，封装技术并未能受到足够的重视，被认为是次要的技术。当时对于封装技术 的了解也仅限于从事封装工作的人员。但是，随着集成电路工业的迅猛发展，而 且，半导体技术已经渗透到各个工业及社会生活领域，封装技术的发展已成为影 响集成电路技术发展和应用的瓶颈问题。据统计，当前的电子器件中，其成本的 4 0 9 6 是用于封装。而对于集成电路的失效则超过2 5 是由封装因素引起的1 。因此， 近年来对于封装技术的研究引起了科研及产业界的高度重视。总的来一说，影响 集成电路封装工艺发展的因素主要有：集成电路芯片的输入、输出端口数( i 0 数) ；封装的可靠性；成本；系统性能等。而封装技术正是为了适应以上的要求 而向着高封装密度、高可靠性和低成本要求发展。 半导体的封装形式从早期的双列直插( d i p ，d u a li n l i n e ) 发展到八十年 代中期的表面贴装( s m t ， s u r f a c em o u n t e dt e c h n o l o g y ) 为主的四面封装形式， 封装用的材料( 包括金属和非金属) 也变得多样化。现在的封装与早期时的相比， 无论是从封装效率和成本上都有了很大的进步，而且可靠性方面也有较大的改 进，使它的适应性更为广泛。如d i p 的封装效率( 芯片面积与封装面积之比) 只 有2 7 ，而以塑料扁平封装( p q f p ，p l a s t i cq u a df l a tp a c k a g e ) ，薄型扁平封装 ( t q f p 。t h i nq u a df l a tp a c k a g e ) 等为代表的s m t 工艺的封装效率可达1 0 2 0 。 进入八九十年代，为了适应芯片输入输出( i 0 ) 的快速增长和器件的小型化，出 现了球栅阵列封装( b g a ，b a l lg r i da r r a yp a c k a g e ) 、芯片尺度封装( c s p ，c h i p s c a l ep a c k a g e ) ，使封装效率达到2 0 8 0 ；采用倒装焊技术( f l i pc h i p ) 或导电 胶方法将裸芯片直接贴装到印刷电路板( p c b ，p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 上的 d c a ( d i r e c tc li pa t t a c h m e n t ) 技术可达到5 0 9 0 的封装效率。而最近处于前沿 4 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究复旦大学硕士学位论文 的三维封装( 3 dp a c k a g e ) “2 1 将有别与现有的封装形式。把硅工艺与倒装焊等先进 工艺结合起来，将具有相同或不同功能的芯片堆叠起来，形成一个三维立体的封 装结构，封装效率超过1 0 0 。 图1 - - 4 半导体封装的发展 图卜4 给出了半导体封装发展的大概过程和未来趋势，从早期的双列直插封 装( d i p ) 到七十年代的扁平方形封装( q f p ) ，八十年代的球栅阵列封装( b m a ) 和代 表未来发展方向的多芯片集成模块( m c m ，m u l t ic h i pm o d u l e ) 。m c m 比, 起单芯片 封装来主要有四大优点：( 1 ) 封装效率更高，因为在单芯片封装中，封装结构 本身占用了很多面积，两个单芯片封装的芯片间距远远超过了m c m 中裸片芯片的 间距；( 2 ) 芯片间距减小，基板连线长度缩短，提高了电性能；( 3 ) 芯片和电 路板之间的互连数减少，提高了可靠性；( 4 ) 高产量m c m 有利于降低成本，因为 它省去了每个芯片单独的封装，并且减少了基板面积。 功率器件的封装也遵循着半导体封装技术同样的发展轨迹：从分立器件的封 装发展到现在的智能功率模块( i p m 或者s p m ) 其中，f a i r c h i l d 公司开发的以 i g b t 为基础的智能功率模块可以应用于白色家电以及汽车电子中，并已经实现在 中国苏州的量产。但功率器件相比其它集成电路芯片而言，也有自身的特点，它 几乎涉及所有电子领域，价格相对低廉，而且由于功率器件工作时会通过大电流， 如何将其本身产生的热量扩散出去是封装考虑的重点。所以除了应用于高端中的 b g a 以及m c m 之外，像t 0 2 2 0 ，d ip a k 和s 0 系列等封装由于其优良的导热能力依然 5 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究 复旦大学硕士学位论文 有着广泛的市场。总的来说，功率器件封装主要有以下三类关键因素： 封装基板 在分立器件封装，为了实现低的热阻，电阻及机械操作性，铜基板应用最广 泛。对于功率模块而言，a 1 n - d b c 基板由于其体积小，重量轻，热膨胀系数与硅 接近，而且既具有a 1 n 陶瓷的高热导性，又具备铜箔( 表面有铜箔层) 的高导电 特性，并可像p c b 板一样，在其表面刻蚀出所需的各种图形，而大量应用于功率 模块的封装“”。 焊接( b o n d i n g ) 工艺 芯片贴装( d i eb o n d i n g ) 与引线键合( w i r eb o n d i n g ) 工艺是封装中的关键工 序，是内部信号与外部的过渡手段。由于功率m o s f e t 和i g b t 芯片背电极是漏 极或者是集电极，所以在芯片贴装时采用焊料共晶键合将芯片安装于基板上，以 实现良好的导电导热性能。引线键合工艺多采用金丝，铝丝键合技术，工艺简单， 成本低，但存在寄生电感大，高频电流在引线中形成的机械应力使焊点脱落等诸 多问题，现在发展的倒装芯片焊球阵列凸点互连可省略芯片与基板问的引线，减 少了寄生效应，降低了源漏导通电阻，特别在射频器件中得到很好的应用。 封装外壳 器件封装外壳保护器件不受外界环境的影响，是根据其所用的不同材料和品 种结构形式，按最终产品的电性能，热性能，应用场合，成本，总体布局，封装 形式以及生产工艺来确实的。常用散热性能好的金属以及塑封外壳。塑封外壳相 对低廉，而且功率器件封装大部分热量并不从外壳散去，所以其价格上的优势已 能满足一般的器件要求。 1 3 功率器件封装的可靠性概述 电子封装的可靠性是封装的一项基本要求，以电子封装体系抵抗器件功能退 化的能力来评价的。在微电子封装的设计中，同功能，成本，尺寸一样，封装可 靠性必须是在电子发展设计中重点考虑的问题，而不是器件开发出来以后的附加 工作。因为随着电子封装复杂性的增加，如果等封装制造出来后才发现设计上的 可靠性有问题，那将损失大量的时间和资金。“可靠性是靠设计、制造出来的”， 己成为普遍接受的观点。 6 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究复旦大学硕士学位论文 在设计中充分考虑产品可靠性的同时，在产品制造和封装完成以后，进行可 靠性加速实验可以有效地评价分析产品。可靠性实验是对受试样品施加一定的负 载，包括电负载，热负载，机械负载或其综合通过试验检查样品的各种性能参 数是否仍符合技术指标，从而判断样品是否失效或可靠。常用的机械试验有：机 械振动试验，机械冲击试验，恒定加速度试验，引线强度试验，键合强度试验等。 常用的环境试验有温度循环试验，热冲击试验，高温储存试验，潮热试验，高压 蒸汽试验，密封试验等。还有一些特殊的试验如抗核辐射试验等。另外还有可靠 性筛选试验，它通过各种方法将有质量问题而可能发生早期失效的产品予以剔除 和淘汰。 器件的可靠性研究验证工作，包括可靠性实验及分析，其目的一方面是评价、 鉴定器件的可靠性水平，另一方面为整机可靠性设计提供参考数据。对失效样品 的分析，找出其失效模式，是其中最关键的一环。所有失效最终表现都是电气失 效，但根本原因可能是热，机械，电，化学和这些因素的共同作用。图1 5 给出 了电子封装系统9 9 9 的失效和失效机理“”。从图中可以看出，失效机制可以粗 略分为两类：过载失效和损耗失效。过载失效是由于载荷超过器件的强度极限， 引起系统的失效；损耗失效是在较低的应力下，长期循环和损伤积累效应而导致 器件失效，最终影响到整个系统。 图l - - 5 微系统的失效机理 7 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究复旦大学硕士学位论文 具体来讲，主要有如下三大类可靠性问题，在产品设计时需要充分考虑： ( 1 ) 热机械效应 热机械效应是指由于环境温度的变化或工作期间系统内部热效应引起的热 应力和应变导致器件变形失效。系统中的各个构件都存在热应力及应变，这是由 于不同材料的热膨胀系数不匹配，系统内部的温度梯度以及几何位置的限制所导 致。封装中热机械失效往往是通过材料的疲劳断裂，脆性断裂和蠕变失效而体现 出来的。下面我们分别介绍之： 疲劳断裂 目前已经知道，金属、聚合物和陶瓷等材料都会发生疲劳断裂，相对而言， 陶瓷产生疲劳断裂的可能性最小。疲劳断裂是在循环载荷作用下，材料以疲劳裂 纹扩展的形式发生的断裂，即使是发生在较低的应力作用下，整个过程大体分为 裂纹萌生、疲劳扩展、最终断裂3 个过程。微观机制可以描述为：由塑性形变引 起位错移动并相互作用，位错的相互作用使其迁移能力降低，而随后发生的疲劳 变形集聚了更多的位错，随着位错密度的增加，晶体的完整性遭到破坏，进而形 成了微裂纹，随着微裂纹的扩展，导致器件发生失效。 功率器件的疲劳失效原因很多，最主要的是电源的闭合和断开。所以可靠性 实验中常利用功率循环或者温度循环来判断器件的疲劳寿命。用于描述疲劳断裂 的模型主要有：非弹性应变的c o f f i n - m a n s o n 疲劳模型；应变能密度疲劳模 型。c o f f i n - m a n s o n 模型基于每次循环中材料塑性应变的变化，而第二类模型基 于每次循环中材料应变能密度的增量，各有各的优点，并都有广泛的应用范围。 脆性断裂 当作用在器件上的应力超过构件断裂韧度时，构件非常容易发生脆性断裂， 并且断裂前没有明显的征兆，最终致使器件功能失效。一般在脆性材料中容易发 生这种断裂，如陶瓷、玻璃和硅等，这些材料几乎没有任何塑性形变且能量吸收 能力* p j j , ，图1 6 比较了脆性材料与韧性材料的应力一应变关系图。脆性断裂微 观机制可以描述为：当施加在器件上的应力和功足以破坏原子键时，材料将出现 断裂，键的强度由原子之间引力决定，一般用最大主应力作用判断失效的标准。 吸湿后的封装器件在执行表面贴装的回流焊工艺时，水汽的膨胀往往会导致 器件爆裂( p o p c o r n ) 1 4 - 1 6 j 就是很典型的脆性断裂失效机制，对于p l c c 封装而 8 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究复旦大学硕士学位论文 童 l attt口ott,瞳t 图i 一6 脆性材料与韧性材料的应力一应变关系 言，水汽含量( 重量百分比) 阈值大约为0 1 至0 3 另外一个重要因素是材 料本身已存在裂纹，由于存在缺陷，在应力作用下使得缺陷得以迅速传播和扩展， 导致了材料断裂韧度的显著降低。例如硅芯片一般都是在有初始裂纹和刻痕的地 方发生断裂，初始裂纹和刻痕往往产生于热处理加工、切片、装卸等过程中，并 很难避免。 蠕变失效 蠕变由热效应引起，在一定应力的作用下，应变随温度和时间的增加而显著 增加。也就是说，材料的形变不仅仅由所施加的应力决定，而且依赖应力作用的 时间和温度。蠕变可以发生在任何应力范围，可以低于或高于屈服应力值。在高 温或者说在约比温度大于0 5 时，蠕交效应非常显著( 约比温度为工作温度与材 料熔点的绝对温度的比值) 。在功率器件封装中广为使用的铅锡共熔焊料，在室 温下约比温度已经大于0 5 ，所以可靠性中必须重点考虑其蠕变行为。 图1 7 是一个典型的蠕变曲线示意图，可以分为三个不同阶段：初始阶段( 减 速蠕变阶段) ；第二个阶段( 恒速蠕变阶段) ，也称稳态蠕变阶段；第三阶段( 加 图1 7 蠕变曲线图 9 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究 复旦大学硕士学位论文 速蠕变阶段) 。在初始阶段，随着时问的增加，蠕变速率迅速减小；在第二阶段， 蠕变速率只有一个很小降低，几乎为一个常数；在第三阶段，蠕变速率迅速增大， 最终导致蠕变断裂。所以，一般使器件工作在稳态应变阶段，这样可以使得器件 寿命最长。 为了减少由于热机械效应导致的可靠性问题，可以依据一定的准则将问题发 生可能性降到较低水平： a 封装中尽可能选择与芯片膨胀系数相同或接近的材料。 b 合理设计封装系统散热路径使热量能够及时扩散，尽量降低温度梯度 c 应变随着与中性点的距离的增大而增大，因此应尽可能减小焊点到中性点的 距离。在无法做到时，可以将焊点放在芯片的中性点处，次要的放在其周围。 d 减少封装各个构件中的缺陷和刻痕。 e 材料熔点越低，越易发生蠕变。在恶劣条件下应用的器件，应选高熔点材料。 ( 2 ) 化学失效 电化学腐蚀，材料间扩散形成金属间化合物以及枝状晶须生长等化学过程都 可能导致器件电学上的失效。湿气浸袭是发生电化学腐蚀的必要条件，阳极金属 被氧化失去电子而带正电荷，溶解于“水溶液”( 湿气) 中，阴极的电子与湿气 中的氢离子结合，如此金属将慢慢地耗尽( 图1 - - 8 ) 。所以减少封装工艺中湿气 的浸袭将大大降低金属被腐蚀的发生。 封装互连中的引线键合以及其它焊接位置，金属问扩散是一种常见的失效机 制。金属间化合物( i 淝) 是在引线键合和焊接时形成的副产品，如图l 一9 所示。 对于一个良好的导间互连，金属间化合物的形成是必要的，但是大量的金属间化 合物使得局部脆化，从而降低材料的机械强度。在热循环试验中，金属问化合物 图1 - - 8 金属电化学腐蚀示意图 1 0 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究复旦大学硕士学位论文 c q ，p _ d 嗣t 趟i o nz o n 瓣燃黎爨域 刚* 一瓷隶辱蠢蔗意蕞苌惫隶意亮筛 c 。f p q i 窖钿怛 q 执彻 8 d d _ 图1 9 焊层的剖面图 将继续增长，最终使焊接层因强度降低而断裂。金属间化合物的生长已经有扩散 模型来描述，与时间的平方根成正比。在铜焊盘表面党涂敷一层镍金可以有效 地阻止金属间化合物的增长。 ( 3 ) 电学失效 电学失效主要是由电压或电流过高导致的。具体表现形式有：静电放电 ( e s d ) ，栅氧击穿和电迁移。静电放电指的是静态电荷在物体间的转移，而导 致的瞬态大电流，致使器件结点温度升高至材料被熔化。因为静电普通存在于生 产以及运输条件中，所以如何将这些静电安全传导出去，比如说所有的测试和压 焊设备必须接地，防止静电的积累，以及在储存和运输期间，使用抗静电泡沫， 是防止静电失效的主要手段。栅氧击穿和电迁移更多的是关于芯片生产范围，芯 片生产质量决定了这些问题的发生机率。 1 4 有限元分析方法 从上个世纪九十年代开始，有限元法开始应用于封装中的热机械分析中，对 表面贴装技术，塑料封装，以及器件热疲劳都有一定的研究。它是近似求解椭圆 型偏微分方程边值问题的一种数值技术“”埘。这种方法大约有近半个世纪的历 史。它首先在2 0 世纪4 0 年代提出，在5 0 年代开始用于飞机设计。以后该方法得到 了快速发展并被广泛地用于结构分析问题。在其它领域中的应用也十分广泛。目 前，作为广泛应用于工程和物理问题的一种通用方法，有限元方法的使用已相当 普遍。 边值问题的求解一直是数学物理中的研究主题。由于许多实际工程问题都没 有解析解，为了克服这种困难，人们发展了各种数值求解方法。在有限元方法发 展的历史中，里兹( r i t z ) 变分方法和伽辽金( g a l e r k i n ) 方法构成了现代有限元方 功率u d m o s 器件封装及其可靠性研究复旦大学硕士学位论文 法的基础。里兹变分法是通过求泛函相对于其变量的极小值，而得到近似解的。 伽辽金方法是通过对微分方程的参数求加权方法来得到方程的解。在里兹变分方 法和伽辽金方法中，在整个解域内找出能表示或至少近似表示问题真实解的试探 函数是一个关键的步骤。然而在整个求解区域寻找一个统一的试探函数是十分困 难的。为了克服这种困难，人们将求解区域划分成许多小的区域，在每个区域定 义试探函数。在有限元方法中，试探函数是由定义在全域的各子域上的一组函数 构成。因为子域是小的，所以定义在子域上的试探函数能够十分简单。 有限元方法的基本原理就是用许多子域来代表整个连续的区域。在予域中， 未知函数用带有未知系数的简单插值函数来表示。因此，连续介质中的无限个自 由度的原边界值问题被转化为有限个自由度的问题，或者说，整个系统的解用有 限数目的未知系数近似。然后，用里兹变分或伽辽金万法得到一组代数方程。最 后通过求解方程组得到边值问题的解，其华本步骤如下： ( 1 ) 区域的离散或子域的划分 区域离散是有限元分析的第一步，也可能是最重要的一步。因为离散的方式 将影响计算机内存需求，计算时间和数值求解的精确度。在这一步骤中，全域被 分为许多子域，这些子域通常被定义成为元素。在多数有限元求解中，问题是用 与元素有关的节点上的未知函数表达的。 ( 2 ) 插值函数的选择 有限元分析的