案例分析：基于溫度循環(huán)試驗判斷半導(dǎo)體分離器件不良現(xiàn)象
作者：
網(wǎng)絡(luò)
編輯：
瑞凱儀器
來源：
網(wǎng)絡(luò)
發(fā)布日期： 2020.06.18
例1:待測器件經(jīng)過1，000小時溫度循環(huán)試驗后測試結(jié)果顯示電性為開路狀態(tài)。通過不良品分析實驗，剝離器件外部塑封膠后發(fā)現(xiàn)晶片與框架焊接過程中所使用銀漿在與晶片背面的焊接區(qū)域出現(xiàn)斷裂狀態(tài)(圖1)。通常半導(dǎo)體器件焊接所使用的銀漿的成分為錫/銀/銅，晶片的基材為硅。焊接過程中焊接溫度的設(shè)定，銀漿量的控制，晶片的柔片次數(shù)，塑封膠注人的壓力等都會對產(chǎn)品的終可靠性造成影響。當(dāng)器件處于極端溫度變差及輸入偏壓開關(guān)模式下，器件在薄弱的不同介質(zhì)結(jié)合面會出現(xiàn)開路狀況，從而造成器件整體功能或電路模塊的失效。如果各種材料在高低溫下通過各自的膨脹系數(shù)所產(chǎn)生的應(yīng)力沒有通過結(jié)合面之間的綬沖結(jié)構(gòu)得到釋放，這種影響可能會通過銀漿的結(jié)合面將應(yīng)力傳導(dǎo)到器件為脆弱的晶片內(nèi)部，造成芯片內(nèi)部的物理損傷，隨著實驗時間的集聚，終造成電性的不良，嚴重的情況下會顯示出晶片的斷裂或燒毀。
例2:待測器件在溫度循環(huán)試驗之后出現(xiàn)焊接銀漿重新融化現(xiàn)象(圖2) ，在外力的擠壓下，銀漿流動到晶片表面，造成器件短路。通常焊接用銀漿的熔點在260℃以上，銀漿在測試過程中的重新融化現(xiàn)象表明測試過程中晶片的結(jié)溫超出銀漿的融化所需溫度。理論上晶片的結(jié)溫取決于外部環(huán)境溫度和PN結(jié)本身在偏壓作用下的溫度升高。溫度循環(huán)試驗中環(huán)境溫度為125℃，當(dāng)PN結(jié)在合理偏壓的設(shè)定條件下器件的結(jié)溫不會超出器件的允許結(jié)溫設(shè)定，一般為150℃或175℃ ，不會出現(xiàn)銀漿重融現(xiàn)象。因為焊接用銀漿和器件框架均包含金屬成分，其散熱性能良好，在正常情況下可以將晶片的結(jié)溫通過銀漿、框架有效傳導(dǎo)到器件外部消除結(jié)溫過高對晶片的損害。
通常的問題出在銀漿焊接過程中流動性不好造成晶片底部銀漿空洞，當(dāng)結(jié)溫急劇升高時，空洞中的空氣無法將結(jié)溫通過銀漿有效傳導(dǎo)出器件外，造成晶片局部；溫度過高出現(xiàn)熱點，導(dǎo)致銀漿的融化。這種現(xiàn)象要求在銀漿焊接的工藝制程中有效控制每顆材料焊接過程中的單個空洞面積和銀漿總體有效焊接面積，避免PN結(jié)溫度傳遞中的問題。同樣對于器件熱阻較高的產(chǎn)品，當(dāng)環(huán)境溫度升高時由于熱阻的迅速升高，可能遠遠超出產(chǎn)品設(shè)計規(guī)格，器件的結(jié)溫會迅速躥升超出允許結(jié)溫，此時過高的溫度會造成銀漿的重新融化，這要求在晶片的設(shè)計過程中通過工藝的改進，減少熱阻的影響，從而同時提高產(chǎn)品的工作效率。
從以上實例分析中可以看到溫度循環(huán)測試對于半導(dǎo)體分離器件在內(nèi)部不同介質(zhì)界面的可靠性測試中充分反映出潛在需要提高的問題，為產(chǎn)品的終應(yīng)用提供有效的評估方法。
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