石海忠，繆小勇，何曉光

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226006）

組裝、組裝與測(cè)試

全包封功率器件中大芯片表面分層的分析

石海忠，繆小勇，何曉光

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226006）

全包封功率器件相對(duì)于半包封功率器件更容易達(dá)到安規(guī)要求，其需求出現(xiàn)了逐漸增加的趨勢(shì)，但是全包封器件的分層問題一直困擾著業(yè)界。通過分層現(xiàn)狀的調(diào)查，分析了分層存在的界面和產(chǎn)生原因，通過優(yōu)化試驗(yàn)找到了解決分層最有效的措施是中大芯片表面緩沖層，從而使全包封功率器件的可靠性達(dá)到更高要求。

分層；全包封；芯片

1　引言

半包封功率器件的應(yīng)用已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間了，而全包封功率器件的興起是在近5年時(shí)間內(nèi)。由于其安全性、抗干擾方面的優(yōu)勢(shì)而逐漸得到大家的青睞，但是因?yàn)槠淙鈨?nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不平衡性，很容易在中大芯片等表面產(chǎn)生分層，從而影響了產(chǎn)品的可靠性、散熱等。為此需要對(duì)市場(chǎng)上應(yīng)用產(chǎn)品的分層現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查、分析，以找到有效的解決方案，從而使全包封功率器件達(dá)到更高的可靠性，滿足海外客戶的高可靠要求。

2　分層現(xiàn)狀

為了充分了解全包封功率器件的分層情況，特地從終端市場(chǎng)上購(gòu)買了一些典型樣品，其中芯片尺寸選擇從小到大，分別為2.1 mm×1.9 mm（約4 mm2）、3.9 mm×3.3 mm（約12 mm2）、4.6 mm×4.5 mm（約21 mm2），器件包封的材料主要使用高導(dǎo)熱的環(huán)氧樹脂，添加適量的硬化劑、充填劑、阻燃劑等。在溫度循環(huán)（TC，Temperature Cycle）試驗(yàn)前只發(fā)現(xiàn)大芯片樣品在載片臺(tái)表面有一些分層，參見圖1大芯片TC500前分層。而中小芯片的樣品都沒有發(fā)現(xiàn)界面分層。根據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22-A104-C中溫度循環(huán)條件（-65℃～+150℃ 0.5 h/循環(huán)）使用ESPEC TSA-71H溫度循環(huán)箱對(duì)這些樣品進(jìn)行500個(gè)溫度循環(huán)的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大芯片樣品的芯片表面和載片臺(tái)表面都有較多分層，見圖2大芯片TC500后分層。中芯片的芯片表面和載片臺(tái)表面或多或少也出現(xiàn)了分層，見圖3中芯片TC500后分層。而小芯片表面在溫度循環(huán)后都沒有出現(xiàn)分層，只有載片臺(tái)表面有分層。由于大多數(shù)功率器件的載片臺(tái)不焊接鍵合絲，芯片和載片臺(tái)之間通過高粘結(jié)力的焊料焊接，載片臺(tái)分層對(duì)器件的可靠性影響較小。而芯片表面的分層直接對(duì)芯片表面的焊點(diǎn)有剝離作用，影響芯片表面的熱量傳遞，對(duì)功率器件的可靠性影響較大，需要充分分析產(chǎn)生分層的原因，找到合適的解決措施。

圖1　大芯片TC500前分層

圖2　大芯片TC500后分層

圖3　中芯片TC500后分層

3　分層原因分析

器件內(nèi)部界面產(chǎn)生分層的原因比較多，如樹脂的吸水性、粘結(jié)性、老化、內(nèi)部應(yīng)力、惡劣環(huán)境、機(jī)械沖擊力、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不合理、界面的粗糙性等。而針對(duì)市場(chǎng)上全包封功率器件的內(nèi)部分層，從圖4全包封功率器件的剖面示意圖來看，載片臺(tái)和芯片在塑封體內(nèi)部位置明顯處于下方，再加上圖4 中塑封體由厚薄兩部分構(gòu)成，這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不平衡容易在溫度循環(huán)中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。針對(duì)圖4的代表性功率器件建立如圖5所示的全包封器件物理模型，通過應(yīng)力仿真發(fā)現(xiàn)，芯片表面最大應(yīng)力達(dá)到663 MPa，分布在芯片的邊角位置，見圖6芯片局部等效應(yīng)力仿真圖。說明芯片邊角處溫度梯度最大，造成應(yīng)力和剪切應(yīng)力增大，應(yīng)力和剪切應(yīng)力最大值出現(xiàn)在芯片邊角處時(shí)，太大的應(yīng)力將導(dǎo)致界面的分層。所以芯片表面的應(yīng)力緩解或增大芯片表面的結(jié)合力將是解決問題的關(guān)鍵。

圖4　全包封功率器件剖面示意圖

圖5　全包封功率器件物理模型

圖6　芯片局部等效應(yīng)力仿真圖

4　分層改善試驗(yàn)

根據(jù)之前對(duì)終端市場(chǎng)應(yīng)用的全包封功率器件樣品的分層調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，芯片越大，在溫度循環(huán)后分層越嚴(yán)重，從應(yīng)力仿真的結(jié)果也證實(shí)了芯片表面的應(yīng)力最大。所以從應(yīng)力緩解方面考慮選擇大芯片表面有緩沖層，同時(shí)選擇大芯片表面沒有緩沖層作對(duì)比。從增大芯片表面的結(jié)合力考慮，選擇兩種不同粘結(jié)力的塑封料進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)考慮到焊料分層較少出現(xiàn)，框架內(nèi)引線的分層可以采用露銅來解決，所以試驗(yàn)過程主要針對(duì)大芯片和載片臺(tái)表面分層來改善。試驗(yàn)中芯片尺寸選擇4.5 mm×4.5 mm（約21 mm2），試驗(yàn)方案和結(jié)果見表1。

表1　分層改善試驗(yàn)方案及結(jié)果

圖7　試驗(yàn)2在TC500后分層圖

5　試驗(yàn)結(jié)果分析

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，芯片表面的緩沖層對(duì)改善大芯片表面的分層作用非常明顯，即使塑封料粘結(jié)力偏低一些，大芯片表面分層表現(xiàn)比較好，見圖7。而芯片表面沒有緩沖層，即使塑封料粘結(jié)力偏高一些，仍然抵擋不住內(nèi)部應(yīng)力的破壞，芯片表面還是出現(xiàn)了分層。說明芯片表面的緩沖層對(duì)改善全包封功率器件的大芯片表面分層非常有效。

從表1還發(fā)現(xiàn)，兩種塑封料的粘結(jié)力對(duì)載片臺(tái)分層沒有明顯效果，對(duì)于應(yīng)用在工業(yè)和消費(fèi)類領(lǐng)域的功率器件，載片臺(tái)分層的負(fù)面影響比較小。若應(yīng)用在汽車或軍用領(lǐng)域，還需要對(duì)載片臺(tái)表面的鍍層、塑封料粘結(jié)力等再進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，以達(dá)到高可靠性的目的。

6　結(jié)束語

由于全包封功率器件存在大芯片表面的分層問題，影響其可靠性和應(yīng)用范圍。本文通過全包封功率器件分層現(xiàn)狀的調(diào)查，分析了分層存在的界面和發(fā)生原因，通過試驗(yàn)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)芯片表面的緩沖層對(duì)大芯片表面的分層改善非常明顯，而塑封料的粘結(jié)性相對(duì)于芯片表面的緩沖層來說，其改善效果不太明顯。大芯片表面分層的改善可以有效提升全包封功率器件的可靠性、散熱性，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。若需要應(yīng)用到汽車或軍用領(lǐng)域，還需要對(duì)載片臺(tái)表面分層進(jìn)行有效改善。

［1］ 吳建忠，陸志芳. 塑封集成電路分層研究［J］. 電子與封裝，2009，9（3）：36-40.

［2］ 梅躍. 電子封裝中濕熱載荷共同作用下高聚物材料力學(xué)行為研究［D］. 廣州：華南理工大學(xué)，2013.

［3］ 李明奐，王文杰，張宏杰. TO系列塑料封裝離層探討［J］.電子與封裝，2012，12（8）：10-12.

The Analysis of Large Die Surface Delamination on Full Packaged Power Device

SHI Haizhong， MIAO Xiaoyong， HE Xiaoguang
（Nantong Fujitsu Microelectronics Co.，Ltd， Nantong 226006，China）

Full pacakaged power devices relative half packaged power devices easier to achieve safety requirements， which demand has increased gradually， but the delamination of full packaged power devices have been plaguing us. The thesis investigated the current situation of delamination and analyzed the presence interface and causes， so that the large die surface of the buffer layer was found by optimized experiment that are the most effective solution to solve the delamination， thus the reliability of full packaged power devices will achieve higher requirements.

delamination； full package； die

TN305.94

A

1681-1070（2015）12-0001-02

石海忠（1969—），男，江蘇南通人，高級(jí)工程師，中科院大學(xué)集成電路工程碩士，主要從事功率器件的新品開發(fā)及封裝工藝開發(fā)和應(yīng)用工作。

產(chǎn)品、應(yīng)用與市場(chǎng)

2015-9-8