案例分析:基于溫度循環試驗判斷半導體分離器件不良現象
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瑞(rui)凱(kai)儀器
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發(fa)布日期: 2020.06.18
例1:待測器件經過1,000小時溫度循環試驗后測試結果顯示電性為開路狀態。通過不良品分析實驗,剝離器件外部塑封膠后發現晶片與框架焊接過程中所使用銀漿在與晶片背面的焊接區域出現斷裂狀態(圖1)。通常半導體器件焊接所使用的銀漿的成分為錫/銀/銅,晶片的基材為硅。焊接過程中焊接溫度的設定,銀漿量的控制,晶片的柔片次數,塑封膠注人的壓力等都會對產品的終可靠性造成影響。當器件處于極端溫度變差及輸入偏壓開關模式下,器件在薄弱的不同介質結合面會出現開路狀況,從而造成器件整體功能或電路模塊的失效。如果各種材料在高低溫下通過各自的膨脹系數所產生的應力沒有通過結合面之間的綬沖結構得到釋放,這種影響可能會通過銀漿的結合面將應力傳導到器件為脆弱的晶片內部,造成芯片內部的物理損傷,隨著實驗時間的集聚,終造成電性的不良,嚴重的情況下會顯示出晶片的斷裂或燒毀。
例2:待測(ce)器件(jian)(jian)(jian)在(zai)溫(wen)度循環試(shi)驗(yan)之(zhi)后出現焊(han)(han)接銀(yin)漿(jiang)(jiang)重新融(rong)化(hua)(hua)現象(圖2) ,在(zai)外(wai)力的擠(ji)壓(ya)下(xia)(xia),銀(yin)漿(jiang)(jiang)流動到晶(jing)(jing)(jing)片表(biao)面,造成器件(jian)(jian)(jian)短路(lu)。通常焊(han)(han)接用(yong)(yong)銀(yin)漿(jiang)(jiang)的熔(rong)點(dian)在(zai)260℃以上,銀(yin)漿(jiang)(jiang)在(zai)測(ce)試(shi)過程中的重新融(rong)化(hua)(hua)現象表(biao)明測(ce)試(shi)過程中晶(jing)(jing)(jing)片的結(jie)溫(wen)超出銀(yin)漿(jiang)(jiang)的融(rong)化(hua)(hua)所需溫(wen)度。理(li)論上晶(jing)(jing)(jing)片的結(jie)溫(wen)取決于外(wai)部(bu)環境(jing)溫(wen)度和PN結(jie)本(ben)身(shen)在(zai)偏(pian)壓(ya)作用(yong)(yong)下(xia)(xia)的溫(wen)度升高(gao)。溫(wen)度循環試(shi)驗(yan)中環境(jing)溫(wen)度為(wei)125℃,當PN結(jie)在(zai)合理(li)偏(pian)壓(ya)的設定(ding)條件(jian)(jian)(jian)下(xia)(xia)器件(jian)(jian)(jian)的結(jie)溫(wen)不會超出器件(jian)(jian)(jian)的允許結(jie)溫(wen)設定(ding),一般為(wei)150℃或175℃ ,不會出現銀(yin)漿(jiang)(jiang)重融(rong)現象。因為(wei)焊(han)(han)接用(yong)(yong)銀(yin)漿(jiang)(jiang)和器件(jian)(jian)(jian)框架均包(bao)含(han)金屬成分,其散熱性能(neng)良(liang)好,在(zai)正常情況下(xia)(xia)可以將(jiang)晶(jing)(jing)(jing)片的結(jie)溫(wen)通過銀(yin)漿(jiang)(jiang)、框架有效傳導(dao)到器件(jian)(jian)(jian)外(wai)部(bu)消除(chu)結(jie)溫(wen)過高(gao)對晶(jing)(jing)(jing)片的損害。
通(tong)常的(de)(de)問題(ti)出在(zai)銀(yin)(yin)(yin)(yin)漿(jiang)焊接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)流動性不好(hao)造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)晶(jing)片(pian)底部(bu)銀(yin)(yin)(yin)(yin)漿(jiang)空洞,當結(jie)溫急劇升高時,空洞中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)空氣無法將結(jie)溫通(tong)過(guo)銀(yin)(yin)(yin)(yin)漿(jiang)有效(xiao)傳導(dao)出器件(jian)外,造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)晶(jing)片(pian)局部(bu);溫度過(guo)高出現熱(re)點,導(dao)致(zhi)銀(yin)(yin)(yin)(yin)漿(jiang)的(de)(de)融(rong)化(hua)。這(zhe)種現象要求在(zai)銀(yin)(yin)(yin)(yin)漿(jiang)焊接(jie)(jie)的(de)(de)工(gong)(gong)藝制程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)有效(xiao)控制每(mei)顆(ke)材料(liao)焊接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)單個空洞面(mian)積(ji)和銀(yin)(yin)(yin)(yin)漿(jiang)總體有效(xiao)焊接(jie)(jie)面(mian)積(ji),避免(mian)PN結(jie)溫度傳遞中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)問題(ti)。同樣對于器件(jian)熱(re)阻(zu)較高的(de)(de)產品,當環境溫度升高時由于熱(re)阻(zu)的(de)(de)迅速(su)升高,可(ke)能遠(yuan)遠(yuan)超出產品設計(ji)規格,器件(jian)的(de)(de)結(jie)溫會(hui)迅速(su)躥(cuan)升超出允許結(jie)溫,此時過(guo)高的(de)(de)溫度會(hui)造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)銀(yin)(yin)(yin)(yin)漿(jiang)的(de)(de)重新融(rong)化(hua),這(zhe)要求在(zai)晶(jing)片(pian)的(de)(de)設計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)通(tong)過(guo)工(gong)(gong)藝的(de)(de)改(gai)進,減少熱(re)阻(zu)的(de)(de)影(ying)響,從而同時提(ti)高產品的(de)(de)工(gong)(gong)作效(xiao)率。
從以上(shang)實(shi)例分(fen)析中可(ke)以看(kan)到溫度循環測(ce)試(shi)對于半導(dao)體(ti)分(fen)離器(qi)件在(zai)內(nei)部不同(tong)介質(zhi)界(jie)面(mian)的可(ke)靠性測(ce)試(shi)中充分(fen)反映出潛在(zai)需(xu)要提(ti)高的問題,為產品的終應(ying)用提(ti)供有效的評估方法。