功率器件封装的失效分析技术及技术应用研究

论文摘要

随着功率MOSFET的工作电压和电流大幅度增加、芯片尺寸的不断减小,导致功率MOSFET器件芯片的内部电场进一步增大。这些因素对功率MOSFET的可靠性提出了挑战。不断提高器件的可靠性成为了人们关注的热点。通过失效分析寻找失效机理,再从生产材料与封装工艺上进行改进,是提高器件可靠性行之有效的方法。光发射显微镜（PEM）系统是应用于微电子器件漏电流定位和分析的有效工具。利用PEM系统的激光光束诱导阻抗变化（OBIRCH）功能和光发射（EMMI）功能,从正面可直接对功率MOSFET大的漏电流进行定位观察;利用PEM的EMMI功能,还可从背面对器件微弱的漏电流进行定位和分析。本文还介绍了PEM系统对功率MOSFET芯片不同量级的漏电流进行定位与分析的应用,为分析功率器件漏电流失效提供依据。同时为了研究电过应力（Electxical Overstress）对功率MOSFET可靠性的影响,本文分别对含有焊料空洞、栅极开路和芯片裂纹缺陷的器件进行失效分析与可靠性研究。利用有限元分析、电路模拟及可靠性加速实验,确定了器件发生EOS失效的根本原因。本文还通过优化芯片焊接温度-时间曲线和利用UnclampedInductive Loading（开式感应负载）测试方法,比较了工艺优化前、后器件抗EOS的能力,结果表明优化后器件的焊料空洞含量显著减少及抗EOS能力得到明显提高。引线键合工艺是半导体封装中的重点控制工序,这是由于很多失效原因与它相关。本文通过研究功率MOSFET芯片在球形焊接过程中出现裂纹和脱落现象和铝层出现空洞对器件可靠性的影响,通过对铝层的厚度、晶粒尺寸大小及其硬度的研究分析了空洞与金属间化合物对引线键合的影响。利用有限元模拟了引线键合过程中基体中的应力分布情况,进而对控制与优化引线键合工艺有着重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 背景介绍
• 1.1 课题背景
• 1.2 功率器件的封装形式
• 1.3 功率器件面临的可靠性挑战
• 1.4 失效分析程序及方法
• 1.5 本论文的实验目的和意义
• 第二章 功率器件漏电流的PEM定位和分析研究
• 2.1 概述
• 2.2 原理介绍
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 漏电流定位方法回顾
• 2.3.2 试验方案
• 2.3.3 样品制备方法
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 OBIRCH实验结果与讨论
• 2.4.2 EMMI实验结果与讨论
• 2.5 本章结论
• 第三章 功率器件的EOS失效分析与焊接工艺优化研究
• 3.1 概述
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 样品材料与参数
• 3.2.2 实验样品选取方法
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 焊料空洞（Solder Void）导致EOS
• 3.3.2 栅极开路（Gate Open）导致EOS
• 3.3.3 芯片裂纹（Die Crack）导致EOS
• 3.3.4 芯片焊接（Die Attach）工艺优化
• 3.4 本章结论
• 第四章 功率器件引线键合工艺可靠性研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验方法及数据处理方法
• 4.2.1 样品材料和参数
• 4.2.2 球形焊接工艺
• 4.2.3 芯片表面超声波扫描
• 4.2.4 铝层厚度与晶粒大小测试
• 4.2.5 芯片表面显微硬度测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 原子的互扩散与金属间化合物的形成
• 4.3.2 引线键合压力下的ANSYS模拟
• 4.4 本章结论
• 第五章 论文结论
• 参考文献
• 致谢