塑封功率器件封裝失效分析技術研究

張金彪，王 蓬

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

塑封功率器件封裝失效分析技術研究

張金彪，王 蓬

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

功率器件是工業生產中一類重要的基礎器件，其質量及可靠性水平深受廣大學者關注。文章通過對功率器件封裝形式、失效誘因及國內外專家學者對功率器件塑封封裝失效的研究進展進行總結，希望能夠為相關分析研究提供參照。

功率器件；封裝失效；研究進展

功率半導體技術是現代電子技術的基礎。功率半導體器件廣泛地應用于電信、手機、家電、汽車等行業，是一種不可或缺的基礎性產品。隨著功率器件的大功率化、高頻化、集成化發展，其內部結構及應用環境日漸復雜，工作中受到的應力逐漸增加。而良好的器件封裝有助于保證器件的可靠性水平，因此本文對功率器件的封裝失效原因、研究進展等進行分析，以期能夠為相關人員提供參考。

1 功率器件的封裝形式

功率器件的封裝形式多種多樣，但是因為塑料封裝在成本、尺寸、重量等方面具有相當的優勢，因此工業上功率器件多采用塑料封裝。同時，因為塑料封裝的可靠性近年來有了很大提升，在航天、軍工等領域亦受到越來越多的關注，因此對功率器件塑料封裝進行研究，提高其使用可靠性具有一定實際意義。常見功率器件封裝形式如圖1所示。

圖1 常見功率器件封裝形式

1.1 螺栓型、平板型封裝

螺栓型及平板型封裝作為傳統的大功率半導體器件封裝形式，多年以來一直沿用至今。螺栓型和平板型封裝模式外殼和管芯的接觸方式有所不同，平板型結構是通過壓接方式實現的，可采用雙面散熱，而螺栓型是通過焊接或壓接的方式將管芯和外殼進行連接。在這兩種封裝形式的發展中，平板型結構也可以通過雙面散熱進行，其封裝多由金屬和陶瓷組成。

1.2 功率模塊

近年來，單個IGBT，雙IGBT，IGBT三相橋等IGBT模塊日漸普及。功率模塊封裝集成度高、形式多樣，如模塊內部可將保護、觸發及控制電路與IGBT進行連接。對于功率較小的情況下，可以采用MOSFET模塊。此外，多芯片模塊是一個新的方向，功率模塊封裝材質可以是陶瓷、金屬或塑料，視器件應用環境的可靠性要求而定。

1.3 塑封直列式封裝

塑封直列式封裝常見的封裝形式有TO-220及TO-247等，如圖1（a）（b）所示。此種封裝形式已經能夠實現大電流的傳輸，如IR公司采用的Super TO-247封裝形式就是典型代表，最高允許電流可達210 A。同時，通過器件反面的散熱銅板將器件散發的熱量，傳導至PCB板或者金屬散熱器，有效降低了器件內部的溫升，保證器件具有良好的散熱能力。

1.4 塑封表貼封裝

此種封裝形式是20世紀80年代以后發展起來的，能夠實現器件的小型化，易于提高生產效率。一部分是將直列式封裝改為表面貼裝，典型代表是SMD-220；另一部分是沿用表貼集成電路的封裝形式，最早多采用DIP封裝形式，如IR公司至今仍采用該種封裝，如圖1（d）所示，但更為常見的封裝形式為Mirco-8和SO-8，如圖1（c）所示。通過借鑒集成電路封裝形式，標貼塑封功率器件的引腳數逐漸增多，能夠有效地提高器件散熱能力。

1.5 高可靠封裝

對于航天以及軍工行業而言，因其對器件的可靠性要求較高，因此器件封裝多采用金屬封裝。

2 功率器件塑料封裝常見失效模式

2.1 早期失效

早期失效主要是由塑封工藝不完善以及工藝缺陷導致的，失效主要發生在芯片焊接、引線鍵合及注塑等工藝過程中。目前，隨著塑封封裝材料及工藝的不斷發展，塑封器件的早期失效率已經得到本質上的提升，試驗表明經1 000次溫度循環試驗，塑封與氣密性封裝器件的電性能參數相差無幾，因此，當前在航天和軍工領域，塑封器件均已經進行了一定的應用，如美國TIMED項目中采用了2 GB的塑封固體記錄儀，我國神州4號飛船中采用塑封工藝的熱電偶放大器AD594C等。但是，無法否認塑封封裝受限于其材料特性，在使用過程中仍易受到潮濕及熱應力影響導致失效，因此本文主要關注塑封器件的使用期失效。

2.2 使用期失效

塑封器件在使用過程中會經受各種環境及工作應力而導致失效，主要分為熱應力失效及濕度應力失效。

2.2.1 熱應力失效

熱應力失效是由于組成器件的各材料間膨脹系數不同導致的失效；由于塑封功率器件內部的材料熱膨脹系數存在一定的差異，在高溫及溫循條件下，封裝內部容易形成應力集中，當應力達到一定程度時則會引起分層及開裂，從而導致失效。需要注意的是環氧樹脂的玻璃化溫度比較低，與功率器件的工作溫度較為接近，因此，在該溫度下，塑封封裝的熱膨脹系數和楊氏模量會產生較為明顯的變化，從而導致器件工作狀態的不穩定乃至失效，如封裝分層等。這將加速濕氣的滲透，進而導致芯片金屬化層或鈍化層的破損；在芯片散熱不足時，會導致環氧樹脂碳化，造成短路，此外，長期在熱應力作用下，還將導致器件的焊球等疲勞失效。

2.2.2 濕度應力失效

濕度應力失效主要是濕氣滲透到器件內部導致的失效，潮濕氣體通過塑封器件的粘接界面或環氧樹脂進入到器件內部，可以導致芯片表面或引線的腐蝕，從而導致功率器件電性能參數的退化及失效。同時，引線的腐蝕還將加劇粘接界面上環氧樹脂的離解，使得濕氣更加容易進入器件里面。此外，若塑封功率器件長期處于潮濕環境時，環氧樹脂和芯片粘接材料吸收濕氣會降低黏結強度，在器件PCBA過程中，器件溫度迅速升至240 ℃左右，將會發生“爆米花”效應，造成引線、焊球移位、脫落甚至斷裂，更有甚者會造成封裝開裂及芯片損壞。

3 功率器件塑封封裝失效試驗及數學模型仿真研究

塑封功率器件應用范圍廣泛，而其封裝的可靠性直接影響器件質量，因此功率器件塑封封裝的失效研究成為當下國內外研究熱點。相關領域學者在從多個角度對塑封封裝的失效進行了研究，部分學者通過試驗的方式展開分析，還有部分學者通過數學建模仿真的方式進行研究，本文從以上兩個方面對國內外封裝失效研究進展進行總結，以期對專業人員開展相關研究提供參考。

3.1 功率器件塑封封裝失效的試驗研究

試驗研究的目的為通過觀察塑封封裝材料在環境應力下的變化及導致器件失效的過程，通過優化封裝材料及工藝過程，從而提高器件可靠性，一般分為兩方面。

3.1.1 環境條件對封裝材料的影響

（1）濕度的影響，Li等通過對環氧樹脂材料性能改進以及改進后材料的吸水性及應力變化等進行試驗觀察，得出了水分是導致塑封材料膨脹系數等參數變化的一種誘因，同時改進封裝材料有助于提高器件的可靠性；（2）溫度的影響，Boudefel等通過高溫及溫循試驗等方式，驗證環氧樹脂的介電常數、膨脹系數、彈性模量等電學、力學性能參數受溫度顯著影響，改善器件封裝過程及使用溫度，有助于提高器件的可靠性；（3）溫濕度綜合影響：器件在使用過程中，實際上受到溫度、濕度等多種應力影響，Sadeghinia等通過試驗表明，在器件封裝過程中溫度及濕度應力發生耦合作用，顯著影響其熱力學性能。此外，隨著功率器件的大功率化，芯片內部會產生較高熱量，形成應力集中從而導致器件失效。而隨著塑封功率器件更多地應用于航天、軍工等領域，電場對其封裝失效的影響逐漸顯露，這將是一個新的研究方向。

3.1.2 塑封封裝失效演變過程研究

通過對塑封封裝在多應力作用下失效的漸變過程分析，有助于找出導致其失效的誘因，從而改善制程及材料特性。Zhang等在塑封成型材料上預留V缺口，分別通過施加溫濕度應力及機械應力的方式，分析得出了環氧樹脂在多應力耦合的作用下，其裂紋易擴展，封裝失效過程加劇。Siow等對金屬—聚合物界面的分層及界面斷裂過程進行研究，發現溫度加速了界面分層的產生及擴展，而界面處的微裂紋缺陷將導致粘接不良，有關金屬—聚合物界面的研究尚需進一步發掘。

3.2 功率器件塑封封裝失效的數學建模仿真研究

數學建模仿真研究能夠從理論上快速輔助功率器件封裝失效分析研究。為節約成本，Hsu采用了有限元模擬結合Weihull統計的方法，替代了加速壽命試驗，對器件的平均失效率及加速因子進行了預計。Kim等利用LS-DYNA3D商業軟件分析了改善功率器件抗沖擊能力的材料，為改進相關設計提供參考。

對于環境應力對塑封材料失效的影響程度同樣可以采用數學建模仿真進行研究。Chang等應用分子動力學模型對功率器件塑封封裝吸濕性進行了探索，指出其是器件封裝失效的重要因素之一。我國李志剛等采用空穴增長—濕熱應力關系模型，發現功率器件封裝材料存在缺陷時更易發生界面分層。而在溫濕度共同作用下，封裝材料內部易產生孔穴并導致分層。Xin等通過分子力學動力模型揭示了聚合物金屬銅界面分層機理。Guo等建立微觀力學模型，結合數值與增量計算，揭示了封裝過程真空度、溫度對界面分層及塑封材料形變的影響。

封裝失效的建模仿真研究具有直觀、快速的優點，但是其仿真結果受限于仿真人員的經驗和理論水平，故在實際研究中需要結合試驗研究同步開展。

4 結語

功率器件作為工業生產過程中重要的基礎性產品，其塑封封裝失效獲得普遍關注。當前研究主要為通過試驗及數學模擬仿真的方法，以高聚物封裝材料作為分析對象，討論其在環境應力作用下的失效機理。但是對多應力耦合作用下封裝整體的失效機理及失效進程討論較少，可以作為后續深入研究的方向。

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Research on failure analysis technology of plastic encapsulated power device package

Zhang Jinbiao, Wang Peng
（Guangzhou Haige Communication Group Co., Ltd., Guanghzou 510663, China）

The power devices are an important kind of basic device in industrial production, the quality and reliability level are paid close attention by the majority of scholars. This paper summarizes the research progress of the package form, encapsulated failure of power device and the experts and scholars at home and abroad on the failure of plastic encapsulated power device package, hoping to provide reference for the related analysis and research.

power devices; package failure; research progress

張金彪（1987— ），男，內蒙古赤峰，碩士；研究方向：可靠性設計，可靠性試驗。