施建根，孫偉鋒，景偉平，孫海燕，高國(guó)華

（1. 東南大學(xué)，南京 210096；2. 南通大學(xué)，江蘇 南通 226019；3. 南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226006）

1 引言

汽車(chē)電子對(duì)產(chǎn)品的可靠性和品質(zhì)要求很高，通常要達(dá)到長(zhǎng)于汽車(chē)本身的壽命。IGBT器件給汽車(chē)電子半導(dǎo)體廠家?guī)?lái)的首要挑戰(zhàn)是熱管理，因此首先要改善功率半導(dǎo)體器件IGBT的封裝工藝[1]。在汽車(chē)用IGBT器件的生產(chǎn)工藝中，塑料封裝體內(nèi)的IGBT器件在工作時(shí)有工作溫度高、散熱條件差但功率耗散大等特點(diǎn)，這決定了IGBT器件的高要求封裝過(guò)程[2]。

車(chē)載IGBT器件利用塑料封裝技術(shù)把IGBT芯片封裝在一個(gè)小尺寸的特殊TO-220封裝體內(nèi)。在該封裝中，為了減少接觸電阻和提高散熱性能，IGBT器件通過(guò)焊料裝片工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與引線(xiàn)框架散熱片的連接[3]，裝片層中空洞的存在嚴(yán)重影響了IGBT器件的質(zhì)量，導(dǎo)致熱阻過(guò)大和散熱性能差等，而這些性能的好壞將直接影響器件的可靠性，如焊料層的老化與分層等，最終導(dǎo)致IGBT器件功能失效。車(chē)載IGBT器件的應(yīng)用環(huán)境惡劣，其設(shè)計(jì)工作環(huán)境溫度為-40℃～165℃，并且產(chǎn)品在應(yīng)用過(guò)程中總是處于功率循環(huán)中等特點(diǎn)決定了需要盡可能的提高IGBT器件封裝體散熱性能。

本文分析了IGBT器件在TO-220封裝裝片時(shí)所產(chǎn)生的空洞的形成機(jī)制，建立空洞的熱學(xué)模型，采用有限元分析方法分析空洞對(duì)其溫度的影響。同時(shí)借助工程樣品失效分析結(jié)果，研究TO-220封裝的IGBT器件在經(jīng)過(guò)功率循環(huán)后，空洞對(duì)于IGBT器件性能的影響。最后根據(jù)有限元分析和失效分析結(jié)果確立空洞尺寸的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2 IGBT器件裝片工藝

TO-220封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，其焊料裝片的工藝過(guò)程是在無(wú)氧環(huán)境下，液態(tài)焊料分別與金屬引線(xiàn)框架載片臺(tái)表面和IGBT芯片背面金屬層相互反應(yīng)經(jīng)冷卻后牢固結(jié)合在一起[4]。

在裝片過(guò)程中，裝片設(shè)備的軌道腔體內(nèi)充滿(mǎn)著氮?dú)浔Ｗo(hù)氣體，保護(hù)銅引線(xiàn)框架不被氧化。首先對(duì)引線(xiàn)框架加熱，同時(shí)焊料焊絲接近引線(xiàn)框架，固態(tài)的焊料迅速融化在熱引線(xiàn)框架的載片臺(tái)上，然后用壓膜壓成合適的形狀，最后芯片被放置在液態(tài)焊料上，冷卻后實(shí)現(xiàn)IGBT芯片與引線(xiàn)框架載片臺(tái)的連接。焊料可以是不同金屬的合金，其合金成分決定了裝片工藝溫度和器件的封裝機(jī)械性能以及可靠性。

完成裝片工藝后的TO-220的橫截面圖如圖2所示。

與封裝過(guò)程中裝片工藝有關(guān)的可靠性主要集中在合金層Ⅰ、合金層Ⅱ與焊料層中。在裝片工藝中用到的焊料一般會(huì)摻雜有揮發(fā)性有機(jī)物，引線(xiàn)框架載片臺(tái)金屬和IGBT芯片背面金屬層中金屬氧化物的存在及各個(gè)物質(zhì)中極少量雜質(zhì)的存在，都會(huì)在焊料冷卻后導(dǎo)致空洞的形成。摻雜的揮發(fā)性有機(jī)物的本意是改善焊料的浸潤(rùn)性，但是如果在受熱過(guò)程中沒(méi)有完全揮發(fā)而殘留在焊料中，會(huì)形成空洞。同時(shí)，不完全還原的金屬氧化物和雜質(zhì)在液態(tài)熱焊料中聚集也會(huì)形成空洞。

由于車(chē)載IGBT器件的應(yīng)用環(huán)境惡劣，并且產(chǎn)品在應(yīng)用過(guò)程中總是處于功率循環(huán)中，焊料層界面的溫度膨脹系數(shù)（CTE）失配會(huì)導(dǎo)致界面的老化，最終導(dǎo)致很小的空洞有擴(kuò)散和增大的趨勢(shì)。由表1可以看出，引線(xiàn)框架載片臺(tái)銅的膨脹系數(shù)比IGBT芯片的硅大得多，裝片焊料層在整個(gè)TO-220封裝體內(nèi)可以吸收應(yīng)力，具有緩沖作用?？煽啃栽囼?yàn)項(xiàng)目熱沖擊循環(huán)可以加速產(chǎn)品老化，在經(jīng)過(guò)多個(gè)熱沖擊循環(huán)后，焊料裝片層的空洞處就會(huì)擴(kuò)大導(dǎo)致分層，最終導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效。如果在IGBT器件封裝時(shí)沒(méi)有很好地控制好焊料層的空洞，產(chǎn)品在使用過(guò)程中經(jīng)過(guò)若干次的功率循環(huán)后同樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效。

3 IGBT器件封裝熱性能有限元分析

熱阻是IGBT器件眾多封裝特性中最重要的參數(shù)，根據(jù)JESD51測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模分析，獲得單位功率條件下由芯片結(jié)面到封裝體所屬環(huán)境中的某一固定位置的溫度差值[5]。IGBT TO-220封裝模型的熱阻是決定其散熱性能的參數(shù)，其表達(dá)式定義如下式：

式（1）中：TJ為工作結(jié)溫；TA為環(huán)境溫度；P為功耗。對(duì)于IGBT TO-220封裝模型，芯片、芯片背面金屬層、合金層Ⅰ、焊料、合金層Ⅱ、引線(xiàn)框架載片臺(tái)與塑封料的熱阻都不同。由于芯片背面金屬層、合金層Ⅰ與合金層Ⅱ的厚度與芯片、焊料、引線(xiàn)框架載片臺(tái)、塑封料相比可以忽略不計(jì)，為了簡(jiǎn)化封裝模型，主要考慮芯片、焊料、引線(xiàn)框架與塑封料熱阻的影響。這些材料會(huì)儲(chǔ)存熱量，所以在分析瞬態(tài)熱分布時(shí)熱容也需要考慮：

式（2）中：Cθ為熱容，CT為比熱，ρ為材料密度，V為體積。針對(duì)圖1所示的IGBT TO-220封裝模型，利用FEA方法建立了熱學(xué)模型，分析了溫度的變化與分布，并對(duì)比考慮了不同含量空洞時(shí)的溫度變化，結(jié)果如圖3與圖4所示。

設(shè)IGBT器件工作時(shí)的功率為5W，環(huán)境溫度為25℃，持續(xù)工作100ms，在這個(gè)工作過(guò)程中，IGBT器件溫度的變化和分布通過(guò)該模型進(jìn)行模擬，考慮PCB的影響，其余外界是空氣。當(dāng)焊料層中有2%大小的單個(gè)空洞時(shí)，在100ms時(shí)，器件的溫度到達(dá)極值，其芯片的溫度和這個(gè)封裝的溫度如圖3所示。在100ms時(shí)，芯片溫度達(dá)到最高點(diǎn)89.2℃，而引線(xiàn)框架載片臺(tái)、引線(xiàn)框架引線(xiàn)和焊料裝片層的溫度要低，因熱量還沒(méi)有及時(shí)耗散出；在200ms時(shí)，由于沒(méi)有新的熱量增加，而散熱足夠，所以芯片溫度和引線(xiàn)框架載片臺(tái)的溫度已經(jīng)一致，只有73.4℃。由圖3的FEA分析結(jié)果可以看出，芯片邊緣散熱更容易，溫度比較低；由于TO220封裝所用環(huán)氧樹(shù)脂的散熱性能很差，散熱通道主要是通過(guò)IGBT芯片背部的焊料裝片層和引線(xiàn)框架載片臺(tái)，EMC熱阻太大，其散熱能力可忽略不計(jì)。在這種工作模式下，IGBT器件內(nèi)部溫度對(duì)于環(huán)境溫度能上升64.2℃，在功率消耗更大時(shí)，器件隨溫度上升會(huì)更高，如果系統(tǒng)散熱性能差，該功率IGBT則會(huì)超出其安全工作區(qū)，導(dǎo)致?lián)p壞。

如果在焊料裝片層中有更大的空洞，由于空洞中氣體的導(dǎo)熱性不好，其溫度上升則會(huì)高很多。如圖4所示，在焊料裝片層中，如果空洞的含量占了整個(gè)器件體積的10%，在上述同樣的工作模式下，其芯片的最高溫度比沒(méi)有空洞高近28.6℃，在器件沒(méi)有功耗時(shí)也需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)耗盡熱量。從圖4中發(fā)現(xiàn)，溫度的上升斜率基本相同，但是隨著焊料層中空洞體積的增大，結(jié)溫會(huì)按一定比例增加，也就是說(shuō)當(dāng)焊料層中空洞含量較高時(shí)，焊料層熱阻就會(huì)增大很多，整個(gè)器件的散熱性能下降，造成IGBT器件工作時(shí)很多參數(shù)溫度漂移或超出其安全工作區(qū)域。

對(duì)于IGBT芯片及其封裝材料一定的情況下，應(yīng)該盡可能控制封裝工藝中裝片時(shí)在焊料層中產(chǎn)生的空洞大小，這樣可以盡可能減小焊料層的熱阻，提高整個(gè)IGBT器件的熱阻，確保器件工作在安全溫度區(qū)域。

4 空洞對(duì)車(chē)載IGBT器件性能的影響

IGBT器件功率消耗大，并且車(chē)載IGBT器件的工作環(huán)境溫度高，而IGBT芯片在塑料封裝外形TO-220中主要的散熱途徑是通過(guò)IGBT芯片底部的焊料層再到引線(xiàn)框架載片臺(tái)再到器件外部環(huán)境。當(dāng)焊料裝片層中單個(gè)空洞很大或總的空洞很大時(shí)，IGBT器件的機(jī)械性能、熱學(xué)性能、散熱性能就會(huì)隨之下降，并且器件的可靠性也會(huì)變差?？斩吹脑黾訉?dǎo)致器件的散熱效果變差，在熱沖擊試驗(yàn)后會(huì)導(dǎo)致焊料分層，使IGBT器件功能失效。

對(duì)于不同空洞大小的IGBT器件進(jìn)行功率循環(huán)老化試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)空洞確實(shí)對(duì)其IGBT器件有很大的影響，表2是不同空洞率的器件可靠性實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。前面討論到焊料界面材料的CTE不匹配，F(xiàn)EA熱分析發(fā)現(xiàn)空洞大小影響散熱的規(guī)律，導(dǎo)致了機(jī)械性能的下降，也就是說(shuō)空洞大的IGBT器件可靠性比空洞小的器件差。對(duì)整體空洞率分別是如圖5所示5.42%與如圖6所示1.45%的IGBT產(chǎn)品進(jìn)行一萬(wàn)次功率循環(huán)老化試驗(yàn)，最后我們發(fā)現(xiàn)，空洞率為5.42%的IGBT器件在試驗(yàn)后出現(xiàn)了功能失效問(wèn)題，并且如圖7（b）所示焊料切面產(chǎn)生了分層，而1.45%空洞率的產(chǎn)品最終通過(guò)了功率循環(huán)老化試驗(yàn)，焊料層狀況良好，如圖7（a）所示。

FEA熱分析發(fā)現(xiàn)空洞大小影響散熱，焊料層界面CTE不匹配導(dǎo)致了整個(gè)IGBT器件機(jī)械性能下降，也就是說(shuō)IGBT器件焊料層中的空洞越大，其可靠性越差。同時(shí)，借助不同空洞率IGBT器件功率循環(huán)可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)論，我們確立了裝片工藝空洞控制標(biāo)準(zhǔn)，即空洞體積單個(gè)小于2%，總數(shù)小于5%。

5 結(jié)論

FEA分析能夠?qū)β蔍GBT器件的TO-220封裝結(jié)構(gòu)的熱阻模型和溫度分布進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，熱阻會(huì)隨著焊料空洞尺寸的增大而相應(yīng)增大。IGBT器件的TO-220封裝的裝片工藝影響著功率IGBT產(chǎn)品的機(jī)械、熱學(xué)與電性能，特別是焊料層中的空洞會(huì)嚴(yán)重降低器件的機(jī)械性能和散熱性能，甚至引起焊料分層，造成電學(xué)參數(shù)安全工作區(qū)的縮小。由可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，空洞含量較大時(shí)，如5.42%能直接造成器件的失效，對(duì)于裝片空洞的控制應(yīng)該結(jié)合焊料裝片的特點(diǎn)，科學(xué)選擇焊料、引線(xiàn)框架等裝片材料，合理確立焊料裝片工藝所必須的保護(hù)氣體含氧量，最大程度地控制好單個(gè)空洞和整體空洞的尺寸，確立裝片工藝空洞控制標(biāo)準(zhǔn)，即空洞體積單個(gè)小于2%，總數(shù)小于5%，提高IGBT產(chǎn)品的可靠性。

［1］Thomas Theobald, et al. An Ignition IGBT with Smart Functions in Chip on Chip Technology [J]. Proceedings of 2001 International Symposium on Power Semiconductor Devices& ICs, Osaka.

［2］Jack Wojslawowicz, et al. 分立元件IGBT應(yīng)用趨勢(shì)汽車(chē)點(diǎn)火裝置向小型化和智能化方向發(fā)展[J].電子與電腦，2005（9）.

［3］Charles A. Harper. Electronic Materials and Processes Handbook [M]. McGraw-Hill Companies, Inc., 2004: 219-300.

［4］ESEC Corporation. Soft Solder Die Attach Tutorial [M].ESEC, 2001.

［5］Intergrated Circuits Thermal Test Method Environment Conditions-Natural Convection（Still Air）[S]. EIA/JEDEC standar-JESD51-2.