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        MOSFET無損封裝技術(shù)研究

        2014-03-16 05:51:18汕頭華汕電子器件有限公司方逸裕
        電子世界 2014年7期
        關(guān)鍵詞:良率去離子水靜電

        汕頭華汕電子器件有限公司 李 彬 方逸裕 劉 馴

        1.引言

        電子技術(shù)的不斷進(jìn)步及市場的需求,半導(dǎo)體功率MOSFET器件的應(yīng)用場合越來越廣泛,相應(yīng)的,MOSFET器件的要求也越來越高:要求可承受的反向電壓從幾十伏特到上千伏特不等,最大可承受電流更是高達(dá)數(shù)百安培。為滿足各種需求,芯片設(shè)計者也開發(fā)了各類新型MOSFET芯片結(jié)構(gòu),如典型的MOSFET trench結(jié)構(gòu)等,但同時也正是這些新型設(shè)計,使得芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜精細(xì),更容易受損。

        由于MOSFET芯片自身抗靜電能力較差,再加上芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計上的復(fù)雜精細(xì)化趨勢,使得MOSFET器件對封裝技術(shù)的要求也更加嚴(yán)格,封裝過程中一點(diǎn)點(diǎn)細(xì)微的內(nèi)部損傷或是靜電都有可能造成產(chǎn)品的失效,如晶圓切割過程中的靜電擊穿、die bond過程中的平整度異常、wire bond過程的芯片損傷問題。目前國內(nèi)封裝廠都沒有很好的解決這些問題,導(dǎo)致MOSFET測試良率偏低。所以,我們的研究目的就是解決這些問題,提升MOSFET的測試良率。

        2.研究內(nèi)容

        2.1 設(shè)計一種新型的定位裝置,使在焊線過程能夠有效的固定住焊接框架,避免焊接過程中因緊固度不足而造成的損傷/虛焊問題。

        在焊接過程中,既有橫向的高頻超聲振動P,也有縱向的焊接壓力F,若是焊接基板-框架框架在焊接過程中沒有緊固,則一來在焊接能量的作用下框架會形成共振造成虛焊,二來芯片在這種不穩(wěn)固的焊接中也容易產(chǎn)生內(nèi)部損傷。如圖1所示為焊線過程原理圖。

        圖1 焊線過程原理圖

        通過對框架結(jié)構(gòu)的研究,我們將焊線定位裝置的定位叉設(shè)計成環(huán)抱式的機(jī)構(gòu)。如圖2、3所示:

        圖2 定位叉效果圖

        圖3 定位叉效果圖

        2.2 采用一種新型的焊接方式(“品”型對稱焊接),提升MOSFET抗大電流沖擊的能力。

        通過對測試不良樣品的解剖分析過程,我們發(fā)現(xiàn)部分功率MOSFET芯片表面存在黑色燒穿點(diǎn),如圖示:HFP3205芯片右上角處存在明顯過流燒穿點(diǎn),如圖4所示。

        由于功率MOSFET的開關(guān)特性,使得MOSFET產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在負(fù)載開關(guān)上,如替代固態(tài)繼電器作電機(jī)開關(guān)用。當(dāng)MOSFET用于開關(guān)電源時,從電源接通到輸出電壓穩(wěn)定下來的這段時間內(nèi),MOSFET芯片所承受的浪涌電流可能會超出其額定漏極電流ID,從而造成如上所示的芯片表面過流擊穿。理論上,按照漏極電流ID的計算公式:

        如果能夠降低Ta或是減小RDS(ON)就可以提高M(jìn)OSFET的ID大小,從而提升管子的抗沖擊能力。換句話說,通過改善MOSFET的散熱條件可以有效防止MOSFET因電流過大而損壞。

        圖4 芯片表面過流燒穿

        有研究表明,功率MOSFET產(chǎn)品在應(yīng)用過程中,其hottest spot主要集中在芯片表面及鋁線的接觸面處,如圖5-7所示為對D-PAK封裝的某MOSFET進(jìn)行的熱點(diǎn)分析圖。

        圖5 熱點(diǎn)分析圖

        圖6 熱點(diǎn)分析圖

        圖7 熱點(diǎn)分析圖

        通過以上的對比試驗(yàn)結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn):對于此類大電流芯片,當(dāng)焊接方式/焊接位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整:對稱焊接、增加導(dǎo)線條數(shù)/直徑等,可以明顯提升產(chǎn)品的耐電流沖擊能力。

        2.3 通過在去離子水中加定量CO2的方式,降低去離子水的電阻率,從而達(dá)到劃片過程中預(yù)防/消除靜電損傷的目的。

        在半導(dǎo)體加工行業(yè),一般使用高品質(zhì)的去離子水進(jìn)行輔助切割、清洗等,這樣有助于良率的提升。為消除切割過程中的靜電影響,我們采用在去離子水中注入CO2的方式,來降低去離子水的電阻率。去離子水的電阻值一般在12MΩ.cm以上,PH值約為5.5~7之間,而在通入CO2之后,CO2是微溶于水的,在純水中分2步電離形成游離態(tài)的H+和CO3-:

        去離子水在溶入CO2之后,其電阻率可降低至0.1~1MΩ.cm,正是這類游離態(tài)的帶電離子可以中和切割過程中產(chǎn)生的靜電,從而達(dá)到靜電消除的目的。

        按照溶解量的不同,碳酸溶液的酸堿度也不大一樣,飽和碳酸溶液(純CO2,壓力為1atm)的pH約為4,而在自然條件下CO2含量是0.3%,溶解達(dá)到飽和時pH=5.6。我們知道,功率MOSFET芯片的表層都是有覆蓋一層Al或是CuAl合金,其厚度薄至3um,在長時間的飽和酸性環(huán)境下,這種極薄的金屬層很容易被酸腐蝕,甚至連芯片內(nèi)部的Si/SiO2結(jié)構(gòu)也會被破壞,從而造成芯片失效。但如果CO2溶解不足,則又不足以保證切割過程中的靜電荷被完全中和掉。所以需要對溶入去離子水中的CO2含量進(jìn)行控制,即控制CO2去離子水的電阻值。

        2.4 設(shè)計一種減薄型的壓錫頭裝置,減少臺階厚度,避免上芯壓錫過程中壓錫頭碰撞到框架的風(fēng)險,提升上芯后芯片的平整度。

        對于功率MOSFET產(chǎn)品而言,為了提升功率處理能力,芯片尺寸一般會盡可能設(shè)計的大而薄,其一、芯片尺寸越大其可承受的電流及電壓也越大,其二、芯片越薄其內(nèi)阻也越小,產(chǎn)品工作過程中的能量耗散也越小。但是這種大而薄的芯片會對封裝過程及產(chǎn)品可靠性帶來不利影響,如圖8所示。

        圖8 不完全溢錫

        圖9 壓錫頭臺階影響壓錫深度

        圖10 改良前后壓錫頭對比

        圖11 改進(jìn)壓錫頭結(jié)果后大芯片溢錫效果

        實(shí)際生產(chǎn)過程中,因各類框架的尺寸/結(jié)構(gòu)不大一樣,部分框架在壓錫過程中會存在圖9所示問題。對此,我們對ESEC公司壓錫頭標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸進(jìn)行了修改,將上述臺階厚度C進(jìn)行減薄處理,由1mm調(diào)整為0.5mm的厚度,如圖10所示。

        在完成上述壓錫頭結(jié)構(gòu)的改善后,我們對參數(shù)也進(jìn)行再優(yōu)化,從而得到理想的上芯效果,如圖11所示。

        3.結(jié)束語

        通過對MOSFET無損封裝技術(shù)研究工作的開展,我司功率MOSFET產(chǎn)品的測試良率及產(chǎn)品可靠性有了明顯改善,測試良率從95%~96%穩(wěn)定提升至98%以上。目前,該技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用在華汕公司加工的MOSFET產(chǎn)品上,其質(zhì)量穩(wěn)定可靠。這類MOSFET應(yīng)用廣泛,主要用于電動車無刷控制、電源適配器、馬達(dá)控制開關(guān)、高速轉(zhuǎn)換開關(guān)等場合。

        [1]褚華斌,胡俊,陳素鵬.表面貼裝功率MOSFET封裝技術(shù)研究進(jìn)展[A].2010'全國半導(dǎo)體器件技術(shù)研討會論文集[C].2010.

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