塑封半導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體器件主要的封裝形式，但塑料封裝的非氣密性會帶來潛在的可靠性問題，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力的協同作用下發生的，工作溫度很高的功率器件極易發生分層。封裝分層會導致鍵合引線脫落、芯片表面金屬層或鈍化層損傷、爆米花效應、金屬的腐蝕，使塑封器件的性能極大降低甚至失效。功率器件的廣泛應用對封裝可靠性提出了更高的要求。本文主要對塑封功率器件分層進行解釋，研究封裝分層的具體機制，并提出工藝改進方案。

關鍵詞：半導體功率電子器件；塑料封裝；分層；粘接強度

中圖分類號：TN386 文獻標識碼：A 文章編號：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，采用環氧樹脂塑封料進行封裝。塑封器件是非氣密性封裝，在封裝方面就存在一些缺點，最主要的缺點就是對潮氣比較敏感。濕氣的侵入，會使電子封裝中產生一些可靠性問題，特別是分層現象。對處于較高溫度工作的塑封半導體功率電子器件來說，分層現象會更加嚴重。相較于塑封器件，在使用或是在可靠性試驗時，分層相對于常溫貯存的普通塑封器件更容易產生，且在較高的溫度下，擴展和蔓延在分層現象中更容易形成，進而造成器件失效。

因此，面對濕和熱時，塑封半導體功率電子器件會愈加敏感，受濕氣影響，分層會給器件可靠性帶來更大危害。界面分層的形成相對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而引起的剪切應力，水汽侵入及熱應力形成的爆米花效應等[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

從失效模式來說，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，主要發生在芯片焊接、引線鍵合和模塑料注塑等封裝工藝過程中，主要表現形式有以下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、溢出焊盤的焊料導致短路、不牢固的焊接芯片和較弱的剪切強度等。②引線鍵合上的缺陷，如鍵合點的脫落、偏移、彈坑；線尾過長引、線間短路、引線形狀異常等。③塑封料因流動性問題而形成的注塑缺陷，如沖絲導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；基板移動等。④熱脹冷縮的收縮應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；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。使用期失效是發生在器件服役過程中的失效。使用期失效機制可以分為因材料熱膨脹系數差異所導致的熱應力破壞與濕氣滲透所導致的破壞2大類。

國外產品工作結溫大多都能達到150℃，甚至更高，而在國內，產品工作結溫只能勉強達到150℃，且受濕熱的影響，產品可靠性極易出現較大的退化。使用期失效的主要表現形式有以下兩種[2]。

1.1.2.1 熱應力破壞。在溫度循環及高溫下，因熱膨脹系數在塑封料、芯片和引線框架材料間存有一定差異，封裝后，應力集中生成在器件體內局部。當熱應力水平超過塑封材料的機械或斷裂強度時，極易造成器件失效。一般情況下，環氧樹脂玻璃的轉變溫度（Tg）較低，多在150℃以下。處于此溫度范圍，環氧樹脂材料的熱膨脹系數接近或超過環氧樹脂的Tg，器件在較強的熱應力作用下極易失效。最常見的失效現象即塑封分層，塑封料、芯片和引線框架的粘接面受熱應力影響而造成剝離或分離的產生，這會導致水汽滲透加劇，甚至會使芯片表面金屬化層或鈍化層的損壞；在某些因散熱不當芯片表面局部高溫甚至會使塑封料碳化，造成金屬條間短路；長期處在工作狀態中的器件，尤其是高低溫反復循環應力狀態下，還可能會發生焊料的疲勞失效等。

1.1.2.2 濕氣破壞。濕氣可以通過粘接界面或環氧樹脂本身滲透進入封裝體內部。這里所說的“濕氣”可能以單一的蒸汽狀態存在，也可能以氣、液混合狀態存在。在實際工作中，“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，從而導致器件電性能的退化。附著有腐蝕效應的離子會促進粘接或焊接面上環氧樹脂的加速離解，進而讓濕氣更容易滲透到塑料封裝體的內部。此外，處于回流焊過程中的塑封器件，附著在封裝外殼中的水分會快速汽化，造成塑封料膨脹，導致分層剝離和開裂現象，俗稱“爆米花”現象[3]。

1.2 原因分析

從材料及工藝手段來說，塑料器件失效的原因主要包括以下5方面。

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

②材料匹配問題。塑料封裝的熱膨脹系數過大，封裝以后及后續產生內應力會導致發生分層。推薦機械應力篩選、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，導致粘接強度變差，后續工作易分層。推薦機械應力篩選、熱性能篩選及考核。

④預處理不到位。引線框架和芯片未經徹底清洗，易有大量殘留物質，這會降低粘接強度，導致分層。

⑤塑料固化時間短。塑封廠家縮短塑料的固化時間，導致粘接強度差，在進行后續工作時，芯片容易分層。

2 代表塑封半導體功率電子器件封裝結構對分層的影響

以TO-252封裝產品為例，主要的結構材料為芯片、環氧塑封料、引線框架和鍵合絲等。在封裝過程中，產品分層多存在于不同界面的交接位置。在單一材質表面，其分層概率較低，產品封裝質量一致性較高；環氧塑封料與銅基板、芯片表面的粘接均存在一個過渡層（邊界層），該層內的塑封料與其他部位的塑封料相比性質發生了變化，而粘接過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展。圖1為封裝時出現的產品分層（陰影區域SAM測試產品內部界面分層）。

應力集中和粘接缺陷處是分層裂紋產生的主要位置。正常工藝狀況下的無分層樣品粘接面上（Cu-EMC）已經存在微裂紋，這是分層裂紋擴展的“源”。當存在分層裂紋擴展的“源”的產品處于濕熱應力作用下時，其分層面積擴展速度高于無分層裂紋擴展的“源”的產品，試驗圖見圖2和圖3。

對產品內部結構中主要的不同界面之間（框架與環氧塑封料和芯片與環氧塑封料）的粘接強度進行分析。在施加一個較強熱應力后，對產品內部分層情況進行分析，試驗結果見圖4。芯片表面鋁層與環氧塑封料的粘接效果非常好，遠高于環氧塑封料與銅基板之間的粘接強度。提升銅框架與環氧塑封料之間的粘接強度，是提升產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，功率器件的封裝對引線框架材料提出了更高的要求。在實際生產中，采用中強高導型的Cu-Fe-P合金，該系列合金抗拉強度為362～568MPa，電導率在55%～65%CAS，其主要特性優勢包括高導電性、高導熱性、良好的熱匹配、良好的耐熱性和抗氧化性。

4 封裝工藝改進研究

通常使用粘接強度作為評價膠黏劑性能的指標。對于EMC與銅合金的膠接接頭，粘接強度一般采用EMC在銅合金上的剪切強度來表征。粘接的強度取決于許多因素，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 表面浸潤性與粗糙度

當膠黏劑良好地浸潤被粘材料表面時，表面的粗糙化有利于提高膠黏劑液體對表面的浸潤程度，增加膠黏劑與被粘材料的接觸點密度，從而有利于提高粘接強度。

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鍵，其目的是獲得高粘接強度及提高粘接面的抗介質腐蝕能力。在實際應用中，對被粘物表面進行表面處理或改性是普遍采用的措施。等離子清洗技術是現在最優秀、最有效的表面處理和改性技術，能對銅合金表面進行適當的氧化處理，提高表面的微觀粗糙度，降低表面的接觸角，增進EMC與銅合金表面的共價鍵鍵合，對于粘接是有利的。

4.3 壓力的施加

在粘接時，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管中，減少粘接缺陷。對于黏度較小的膠黏劑，加壓時會過度地流淌，造成缺膠。因此，應在黏度較大時再施加壓力，也促使被粘體表面上的氣體逸出，減少粘接區的氣孔。對于較稠的或固體的膠黏劑，在粘接時施加壓力是必不可少的手段。在這種情況下，常常需要適當地升高溫度，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度，對不同的膠黏劑應考慮施以不同的壓力。一般對固體或高黏度的膠黏劑施加較高的壓力，而對低黏度的膠黏劑施加較低的壓力。

4.4 內應力

內應力是影響塑封粘接強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，而造成了收縮應力。使得其中的樹脂在固化過程中普遍伴隨著體積的收縮。聚合反應中的體積收縮率分布在一個較大的范圍內，縮聚反應和加聚反應的體積收縮率比較大，開環聚合時的體積收縮較小，體積收縮率比較低，發生在環氧樹脂固化過程中，這是其在電子封裝中被廣泛應用的原因之一。降低固化過程中的體積收縮率對熱固性樹脂的應用有十分重要的意義。降低收縮率通常可以采取下列辦法：①降低反應體系中官能團的濃度；②加入高分子聚合物來增韌；③加入無機填料。

5 結論

本文對TO-252封裝形式的功率器件的分層現象進行了失效分析，比較了銅基板表面分層與芯片表面分層的異同，分析分層發生位置及擴展機制。從表面粗糙度、浸潤性、熱匹配性和抗氧化性等多個角度分析銅材框架性能，并從粘接理論的角度進行了相關解釋，提出了工藝改進方向。主要結論如下。

①EMC與銅基板、芯片表面的粘接均存在一個邊界層，弱邊界層的產生對粘接強度有較大的削弱作用。

②分層裂紋主要發生在應力集中及粘接缺陷處，在濕熱應力作用下發生擴展。

③銅材合金框架在功率器件上使用存在性能優勢。

④對封裝工藝進行分析，指出封裝質量可靠性提升方向。

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越多，如何改善塑封器件的結構弱點，也將成為今后研究的重點。

參考文獻：

[1] 王瑩.中國功率器件市場分析[J].電子產品世界，2008（1）：30-32.

[2]孫勤良.環氧樹脂在封裝材料中的應用概況[J].熱固性樹脂，2000（1）：47-51.

[3]李新，周毅，孫承松.塑封微電子器件失效機理研究進展[J].半導體技術，2008（2）：98-101.

[4]李曉云，張之圣，曹俊峰.環氧樹脂在電子封裝中的應用及發展方向[J].電子元件與材料，2003（2）：36-37.