關(guān)于塑封VDMOS器件熱點(diǎn)的研究

柴彥科+蒲年年+譚+稀+徐冬梅+崔衛(wèi)兵+劉肅

摘 要： 功率VDMOS器件作為新一代高壓大電流功率器件兼有雙極晶體管和普通MOS器件的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于功率VDMOS的工作條件惡劣，在高溫大電壓的應(yīng)用環(huán)境下失效概率較大。在所有的失效機(jī)制中，很大一部分是由于器件無(wú)法承受瞬間高壓脈沖，致使器件芯片燒壞失效。表現(xiàn)出的是在芯片某處產(chǎn)生一明顯的燒穿點(diǎn)即所謂的“熱點(diǎn)”。這里主要介紹了塑封VDMOS器件進(jìn)行單雪崩能量測(cè)試過(guò)程和實(shí)際應(yīng)用中不良品產(chǎn)生熱點(diǎn)的原因，從二次擊穿的角度對(duì)其進(jìn)行理論解釋并提出一些改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞： 功率晶體管； 單雪崩能量測(cè)試； 熱點(diǎn)； 失效分析

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）17?0113?04

Abstract： As a new generation of high?voltage and high?current power devices， VDMOS devices have both advantages of bipolar transistors and general MOS devices， and are widely used in various areas. The failure probability of VDMOS is bigger under the high temperature and high voltage application environment due to its bad working conditions. In all the failure mechanism， the device chips′ burnout is mainly caused by instantaneous high?voltage pulse， to which the device can't afford. It will produce an obvious burn?through point on a chip， which is so?called "hot spot". The reason why the so?called "hot spots" appear on defective products in the process of single avalanche energy testing or practical application of VDMOS devices is described in this paper. The theoretical explanation is made in the view of the secondary breakdown. Some improving measures are put forward.

Keyword： power transistor； EAS test； hot spot； failure analysis

0 引 言

在功率器件中，VDMOS器件由于其獨(dú)特的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、高開(kāi)關(guān)速度等特點(diǎn)，使得在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、交流傳動(dòng)、大屏幕顯示驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著工藝的不斷發(fā)展，器件集成度的不斷提高，VDMOS單元的尺寸越來(lái)越小，加之該類器件經(jīng)常工作在高電壓、大電流的狀態(tài)下，在實(shí)際使用過(guò)程中，其可靠性成為使用者關(guān)注的首要任務(wù)。為了提高其使用可靠性，在封裝過(guò)程中需對(duì)其進(jìn)行雪崩能量測(cè)試，以剔除不良品。

1 EAS測(cè)試級(jí)

EAS測(cè)試是通過(guò)給器件施加一單脈沖能量來(lái)考核MOS產(chǎn)品的承受能力，以剔除芯片本身存在的潛在缺陷或在封裝過(guò)程中造成輕微損傷的不良品，從而使產(chǎn)品在使用前得到有效的篩選，能更可靠地工作。EAS測(cè)試原理圖如圖1所示。當(dāng)器件處于導(dǎo)通時(shí)，電子在電壓作用下由VDMOS的源極流向漏極在測(cè)試電路中形成回路，如電路中的負(fù)載為感性負(fù)載，電流呈線性增加。當(dāng)突然關(guān)斷器件時(shí)，感性負(fù)載中積蓄的能量，將繼續(xù)維持源極與漏極之間的電流，使VDMOS的漏端電壓上升，達(dá)到器件的雪崩擊穿電壓，形成源漏之間的轉(zhuǎn)移電流，瀉放掉感性負(fù)載中積蓄的能量[2?3]。

2 熱 點(diǎn)

采用韓國(guó)STATEC 雪崩測(cè)試儀EAS2100V 進(jìn)行TO?220形式封裝的SWP7N65型 VDMOS雪崩能量測(cè)試。該產(chǎn)品封裝后測(cè)試結(jié)果如下：擊穿電壓[BVDSS>]650 V，[IDSS<]1 μA，閾值電壓[VT]約為3 V，柵漏電流[IGSS<]100 nA，導(dǎo)通電阻[RDS（on）<]1.2 Ω，[EAS=]276 mJ。

對(duì)VDMOS進(jìn)行EAS測(cè)試過(guò)程中，首先設(shè)定[EAS=]276 mJ為參考點(diǎn)，可靠性較好的器件抗雪崩擊穿能力較強(qiáng)，在測(cè)試過(guò)程中易通過(guò)；對(duì)于由各種原因使得狀況不良的芯片，抗雪崩擊穿能力較低，在測(cè)試中不能通過(guò)。不良現(xiàn)象主要有兩種：

（1） 測(cè)試后器件燒壞，顯示PRE?SHORT，所有常規(guī)參數(shù)均顯示短路；

（2） 測(cè)試不能通過(guò)，但器件沒(méi)有燒壞，顯示POST?SHORT。

對(duì)于燒壞的不良品進(jìn)行環(huán)氧開(kāi)封，開(kāi)封后利用金相顯微鏡檢查芯片工藝缺陷并拍照記錄。分別觀察燒壞器件的芯片，絕大多數(shù)失效器件的鋁膜出現(xiàn)局部發(fā)黑，這種現(xiàn)象是由于功率過(guò)大引起的鋁膜慢性損傷。在熱量和電流的沖擊下鋁表面出現(xiàn)再結(jié)晶，表面變得十分粗糙。在顯微鏡下觀察，由于光的漫反射作用，在視場(chǎng)內(nèi)呈現(xiàn)鋁發(fā)黑。有些芯片會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，熱點(diǎn)是指電流集中并經(jīng)過(guò)高溫而造成局部損壞的區(qū)域。在熱點(diǎn)出現(xiàn)的位置將產(chǎn)生鋁膜局部發(fā)黑、鋁?硅合金化起球等現(xiàn)象。不同位置熱點(diǎn)示意圖如圖2所示。

其中，（a）為芯片表面存在一明顯的燒穿斑點(diǎn)，位于源極焊接點(diǎn)附近，芯片其他狀況正常。（b）為熱點(diǎn)位于源極任意地區(qū)，焊線裝配情況正常，芯片邊沿沒(méi)有損傷跡象。（c）為熱點(diǎn)存在于器件柵極引線附近，芯片其他狀況正常。（d）為對(duì)某一有熱點(diǎn)的芯片進(jìn)行腐球試驗(yàn)，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)各壓焊區(qū)良好，無(wú)破損等不良現(xiàn)象，說(shuō)明此處僅鋁層被燒穿。

發(fā)生二次擊穿產(chǎn)生熱點(diǎn)的部位常常與該處存在工藝缺陷有關(guān)，這些缺陷引起電流集中，導(dǎo)致PN結(jié)局部燒壞。

（1） 在實(shí)際封裝工藝流程中，芯片粘接時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生空洞[4]，如回流焊過(guò)程中焊劑和材料化學(xué)反應(yīng)留下的氣泡可能在粘結(jié)層中留下空洞，此外，在器件使用過(guò)程中，粘結(jié)層合金由于熱?機(jī)械應(yīng)力的反復(fù)作用也可能產(chǎn)生疲勞和空洞。利用ansys熱分析軟件進(jìn)行模擬顯示空洞處溫度高于其他部位且空洞大小與位置都對(duì)芯片最高溫度有較大影響。芯片在空洞處部分散熱不良，因溫升較大形成熱點(diǎn)，電流在熱點(diǎn)附近集中從而導(dǎo)致器件燒壞，對(duì)產(chǎn)生熱點(diǎn)芯片進(jìn)行空洞拍照，孔洞率普遍較大。如圖3所示。

（2） 由于柵氧化層很薄，很容易受到雜質(zhì)（主要是Na+）玷污而引起電流集中。分別對(duì)熱點(diǎn)內(nèi)外進(jìn)行元素分析，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)處Na+含量較大，而在熱點(diǎn)外部其他部位則很少。

（3） 鍵合壓力過(guò)大，造成鍵合點(diǎn)下的硅晶體損傷，在芯片內(nèi)部留下殘留應(yīng)力，也會(huì)引起電流集中。水氣可以通過(guò)塑封料與外引線框架界面進(jìn)入塑封器件，再沿著內(nèi)引線與封裝料的界面進(jìn)入芯片表面，或者由于塑封料自身具有透水性，水氣可直接通過(guò)塑封料擴(kuò)散到芯片表面，吸收的水氣含有大量離子沾污物。此外，由于塑封材料中一般還加有填充劑、增塑劑、阻燃劑、催化劑、脫模機(jī)和顏料等[5]，如果固化劑中殘存有未反應(yīng)完的高分子合成樹(shù)脂，不僅會(huì)使塑封材料的熱性能惡化，而且易于發(fā)生水解并生成有害的Cl-，Na+等離子。當(dāng)Cl-含量大于0.4 ppm便會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生影響[6]。器件芯片表面存在Cl-玷污時(shí)，鋁腐蝕的反應(yīng)速度很快。Cl-在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下聚集在陽(yáng)極附近，與鋁膜表面的天然鈍化層發(fā)生反應(yīng)，生成可溶性鹽：

新生成的Cl-又繼續(xù)參加反應(yīng)，這是一種連鎖反應(yīng)，使反應(yīng)能自然地連續(xù)下去，所以只要有少量Cl-存在就會(huì)導(dǎo)致鋁的大量腐蝕。這樣一來(lái)，表面的Al2O3被腐蝕而受到破壞，未破壞表面和破壞的表面分別形成陰極和陽(yáng)極，陽(yáng)極處的金屬成為離子狀態(tài)而被溶解，產(chǎn)生電流流向陰極。由于陽(yáng)極面積與陰極相比很小，陽(yáng)極的電流密度很大，將進(jìn)一步腐蝕已破壞的表面。加上過(guò)大的鍵合應(yīng)力作用，破壞處將逐漸形成裂紋，并且裂紋會(huì)隨時(shí)間逐漸擴(kuò)展。這種裂紋能穿過(guò)晶粒進(jìn)而形成熱點(diǎn)。

（4） 線材本身及焊頭的毛刺以及固體顆粒玷污等，也會(huì)使局部電流集中而引起芯片燒穿，這種形式形成的熱點(diǎn)大都位于源極焊球附近，且芯片表面其他狀況正常。

（5） EOS/EDS也會(huì)引起熱點(diǎn)產(chǎn)生。過(guò)電應(yīng)力（EOS）是指元器件承受的電壓或電流應(yīng)力超過(guò)其允許的最大范圍。當(dāng)對(duì)器件的引腳持續(xù)的施加較大電壓或電流應(yīng)力，通常情況下使EOS 發(fā)生的電應(yīng)力要持續(xù)1 ms以上，但μs量級(jí)的電應(yīng)力也能造成過(guò)電力現(xiàn)象的產(chǎn)生，器件將會(huì)受EOS損傷在局部形成熱點(diǎn)，當(dāng)局部熱點(diǎn)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)使材料熔化，形成開(kāi)路或短路，導(dǎo)致器件燒毀。當(dāng)柵氧有針孔時(shí)，靜電放電（ESD）也會(huì)引起擊穿發(fā)生[7]。

3 VDMOS雪崩擊穿機(jī)理

如圖5所示，在VDMOS器件內(nèi)部各層間存在寄生二極管和三極管。當(dāng)漏源電壓大于閾值電壓時(shí)，器件開(kāi)始導(dǎo)通，電子由源極經(jīng)體表P型體區(qū)反轉(zhuǎn)層形成的溝道進(jìn)入漏極，之后直接進(jìn)入漏極節(jié)點(diǎn)；漏極寄生二極管的反向漏電流會(huì)在飽和區(qū)產(chǎn)生一個(gè)小的電流分量。而在穩(wěn)態(tài)時(shí)，寄生二極管、三極管的影響不大。

關(guān)斷時(shí)，為使器件體表反轉(zhuǎn)層關(guān)閉，應(yīng)當(dāng)去掉柵極電壓或施加反向電壓。這時(shí)，溝道電流開(kāi)始減小，感性負(fù)載使漏極電壓升高以維持漏極電流的恒定。漏極電壓升高，其電流由溝道電流和位移電流組成，其中位移電流是漏極體二極管耗盡區(qū)生成的，大小與[dVDSdt]成比例。漏極電壓升高的比率與寄生三極管基極放電以及漏極耗盡區(qū)充電的比率有關(guān)；而后者是由漏?源極電容、漏極電流決定的。在忽略其他原因時(shí)，漏極電流越大電壓會(huì)升高的越快。如果沒(méi)有外部鉗位電路的保護(hù)，漏極電壓會(huì)持續(xù)升高，則漏極體二極管將會(huì)由于雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生較多的載流子，而進(jìn)入持續(xù)導(dǎo)通模式。此時(shí)，全部漏極電流（即雪崩電流）流過(guò)體二極管，從而發(fā)生雪崩擊穿。

總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)加在功率管上的能量超過(guò)臨界值時(shí)，器件內(nèi)部各個(gè)地方因電流局部集中而出現(xiàn)熱點(diǎn)，結(jié)果因局部溫升較快而引起電流不斷增大，最后導(dǎo)致器件損壞。

4 改善VDMOS熱擊穿方法

首先在器件設(shè)計(jì)上可通過(guò)降低P?body寄生電阻[Rb]下手，只要[Rb]盡可能小，使器件承受反向耐量時(shí)，[Rb]上的壓降小于N+/P-結(jié)的正向壓降，寄生三極管才不會(huì)導(dǎo)通，也就不會(huì)燒壞器件。通過(guò)增加P?body結(jié)深來(lái)減小寄生電阻，但是P?body結(jié)深如果太深，在源擴(kuò)散結(jié)深不變的情況下，溝道長(zhǎng)度會(huì)隨之增加，所以結(jié)深選取要適當(dāng)；此外，可以通過(guò)增加P?body區(qū)的摻雜濃度來(lái)減小[Rb，]但是濃度的變化還受到閾值電壓等因素的限制。因此，P?body濃度選擇也需要適當(dāng)。其次，改善器件的散熱機(jī)構(gòu)，改進(jìn)芯片燒結(jié)材料和工藝，減少接觸電阻，盡量減少空洞，提高散熱性能。最后，減少芯片表面和體內(nèi)缺陷。如提高光刻質(zhì)量，辟免出現(xiàn)套刻不準(zhǔn)、嚴(yán)重毛刺和針孔；提高鍵合質(zhì)量和工藝潔凈度等。

5 結(jié) 語(yǔ)

功率VDMOS器件在進(jìn)行雪崩能量測(cè)試或使用過(guò)程中，雜質(zhì)離子、線材本身或焊頭毛刺、空洞等都會(huì)引起器件芯片局部電流集中而產(chǎn)生熱點(diǎn)，從而造成器件的永久失效，可以在器件設(shè)計(jì)和工藝流程各方面進(jìn)行改善以減少熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

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[8] 張臻鑒，劉文媛.塑封半導(dǎo)體器件的可靠性保證措施[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（16）：164?165.

發(fā)生二次擊穿產(chǎn)生熱點(diǎn)的部位常常與該處存在工藝缺陷有關(guān)，這些缺陷引起電流集中，導(dǎo)致PN結(jié)局部燒壞。

（1） 在實(shí)際封裝工藝流程中，芯片粘接時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生空洞[4]，如回流焊過(guò)程中焊劑和材料化學(xué)反應(yīng)留下的氣泡可能在粘結(jié)層中留下空洞，此外，在器件使用過(guò)程中，粘結(jié)層合金由于熱?機(jī)械應(yīng)力的反復(fù)作用也可能產(chǎn)生疲勞和空洞。利用ansys熱分析軟件進(jìn)行模擬顯示空洞處溫度高于其他部位且空洞大小與位置都對(duì)芯片最高溫度有較大影響。芯片在空洞處部分散熱不良，因溫升較大形成熱點(diǎn)，電流在熱點(diǎn)附近集中從而導(dǎo)致器件燒壞，對(duì)產(chǎn)生熱點(diǎn)芯片進(jìn)行空洞拍照，孔洞率普遍較大。如圖3所示。

（2） 由于柵氧化層很薄，很容易受到雜質(zhì)（主要是Na+）玷污而引起電流集中。分別對(duì)熱點(diǎn)內(nèi)外進(jìn)行元素分析，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)處Na+含量較大，而在熱點(diǎn)外部其他部位則很少。

（3） 鍵合壓力過(guò)大，造成鍵合點(diǎn)下的硅晶體損傷，在芯片內(nèi)部留下殘留應(yīng)力，也會(huì)引起電流集中。水氣可以通過(guò)塑封料與外引線框架界面進(jìn)入塑封器件，再沿著內(nèi)引線與封裝料的界面進(jìn)入芯片表面，或者由于塑封料自身具有透水性，水氣可直接通過(guò)塑封料擴(kuò)散到芯片表面，吸收的水氣含有大量離子沾污物。此外，由于塑封材料中一般還加有填充劑、增塑劑、阻燃劑、催化劑、脫模機(jī)和顏料等[5]，如果固化劑中殘存有未反應(yīng)完的高分子合成樹(shù)脂，不僅會(huì)使塑封材料的熱性能惡化，而且易于發(fā)生水解并生成有害的Cl-，Na+等離子。當(dāng)Cl-含量大于0.4 ppm便會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生影響[6]。器件芯片表面存在Cl-玷污時(shí)，鋁腐蝕的反應(yīng)速度很快。Cl-在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下聚集在陽(yáng)極附近，與鋁膜表面的天然鈍化層發(fā)生反應(yīng)，生成可溶性鹽：

新生成的Cl-又繼續(xù)參加反應(yīng)，這是一種連鎖反應(yīng)，使反應(yīng)能自然地連續(xù)下去，所以只要有少量Cl-存在就會(huì)導(dǎo)致鋁的大量腐蝕。這樣一來(lái)，表面的Al2O3被腐蝕而受到破壞，未破壞表面和破壞的表面分別形成陰極和陽(yáng)極，陽(yáng)極處的金屬成為離子狀態(tài)而被溶解，產(chǎn)生電流流向陰極。由于陽(yáng)極面積與陰極相比很小，陽(yáng)極的電流密度很大，將進(jìn)一步腐蝕已破壞的表面。加上過(guò)大的鍵合應(yīng)力作用，破壞處將逐漸形成裂紋，并且裂紋會(huì)隨時(shí)間逐漸擴(kuò)展。這種裂紋能穿過(guò)晶粒進(jìn)而形成熱點(diǎn)。

（4） 線材本身及焊頭的毛刺以及固體顆粒玷污等，也會(huì)使局部電流集中而引起芯片燒穿，這種形式形成的熱點(diǎn)大都位于源極焊球附近，且芯片表面其他狀況正常。

（5） EOS/EDS也會(huì)引起熱點(diǎn)產(chǎn)生。過(guò)電應(yīng)力（EOS）是指元器件承受的電壓或電流應(yīng)力超過(guò)其允許的最大范圍。當(dāng)對(duì)器件的引腳持續(xù)的施加較大電壓或電流應(yīng)力，通常情況下使EOS 發(fā)生的電應(yīng)力要持續(xù)1 ms以上，但μs量級(jí)的電應(yīng)力也能造成過(guò)電力現(xiàn)象的產(chǎn)生，器件將會(huì)受EOS損傷在局部形成熱點(diǎn)，當(dāng)局部熱點(diǎn)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)使材料熔化，形成開(kāi)路或短路，導(dǎo)致器件燒毀。當(dāng)柵氧有針孔時(shí)，靜電放電（ESD）也會(huì)引起擊穿發(fā)生[7]。

3 VDMOS雪崩擊穿機(jī)理

如圖5所示，在VDMOS器件內(nèi)部各層間存在寄生二極管和三極管。當(dāng)漏源電壓大于閾值電壓時(shí)，器件開(kāi)始導(dǎo)通，電子由源極經(jīng)體表P型體區(qū)反轉(zhuǎn)層形成的溝道進(jìn)入漏極，之后直接進(jìn)入漏極節(jié)點(diǎn)；漏極寄生二極管的反向漏電流會(huì)在飽和區(qū)產(chǎn)生一個(gè)小的電流分量。而在穩(wěn)態(tài)時(shí)，寄生二極管、三極管的影響不大。

關(guān)斷時(shí)，為使器件體表反轉(zhuǎn)層關(guān)閉，應(yīng)當(dāng)去掉柵極電壓或施加反向電壓。這時(shí)，溝道電流開(kāi)始減小，感性負(fù)載使漏極電壓升高以維持漏極電流的恒定。漏極電壓升高，其電流由溝道電流和位移電流組成，其中位移電流是漏極體二極管耗盡區(qū)生成的，大小與[dVDSdt]成比例。漏極電壓升高的比率與寄生三極管基極放電以及漏極耗盡區(qū)充電的比率有關(guān)；而后者是由漏?源極電容、漏極電流決定的。在忽略其他原因時(shí)，漏極電流越大電壓會(huì)升高的越快。如果沒(méi)有外部鉗位電路的保護(hù)，漏極電壓會(huì)持續(xù)升高，則漏極體二極管將會(huì)由于雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生較多的載流子，而進(jìn)入持續(xù)導(dǎo)通模式。此時(shí)，全部漏極電流（即雪崩電流）流過(guò)體二極管，從而發(fā)生雪崩擊穿。

總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)加在功率管上的能量超過(guò)臨界值時(shí)，器件內(nèi)部各個(gè)地方因電流局部集中而出現(xiàn)熱點(diǎn)，結(jié)果因局部溫升較快而引起電流不斷增大，最后導(dǎo)致器件損壞。

4 改善VDMOS熱擊穿方法

首先在器件設(shè)計(jì)上可通過(guò)降低P?body寄生電阻[Rb]下手，只要[Rb]盡可能小，使器件承受反向耐量時(shí)，[Rb]上的壓降小于N+/P-結(jié)的正向壓降，寄生三極管才不會(huì)導(dǎo)通，也就不會(huì)燒壞器件。通過(guò)增加P?body結(jié)深來(lái)減小寄生電阻，但是P?body結(jié)深如果太深，在源擴(kuò)散結(jié)深不變的情況下，溝道長(zhǎng)度會(huì)隨之增加，所以結(jié)深選取要適當(dāng)；此外，可以通過(guò)增加P?body區(qū)的摻雜濃度來(lái)減小[Rb，]但是濃度的變化還受到閾值電壓等因素的限制。因此，P?body濃度選擇也需要適當(dāng)。其次，改善器件的散熱機(jī)構(gòu)，改進(jìn)芯片燒結(jié)材料和工藝，減少接觸電阻，盡量減少空洞，提高散熱性能。最后，減少芯片表面和體內(nèi)缺陷。如提高光刻質(zhì)量，辟免出現(xiàn)套刻不準(zhǔn)、嚴(yán)重毛刺和針孔；提高鍵合質(zhì)量和工藝潔凈度等。

5 結(jié) 語(yǔ)

功率VDMOS器件在進(jìn)行雪崩能量測(cè)試或使用過(guò)程中，雜質(zhì)離子、線材本身或焊頭毛刺、空洞等都會(huì)引起器件芯片局部電流集中而產(chǎn)生熱點(diǎn)，從而造成器件的永久失效，可以在器件設(shè)計(jì)和工藝流程各方面進(jìn)行改善以減少熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

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發(fā)生二次擊穿產(chǎn)生熱點(diǎn)的部位常常與該處存在工藝缺陷有關(guān)，這些缺陷引起電流集中，導(dǎo)致PN結(jié)局部燒壞。

（1） 在實(shí)際封裝工藝流程中，芯片粘接時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生空洞[4]，如回流焊過(guò)程中焊劑和材料化學(xué)反應(yīng)留下的氣泡可能在粘結(jié)層中留下空洞，此外，在器件使用過(guò)程中，粘結(jié)層合金由于熱?機(jī)械應(yīng)力的反復(fù)作用也可能產(chǎn)生疲勞和空洞。利用ansys熱分析軟件進(jìn)行模擬顯示空洞處溫度高于其他部位且空洞大小與位置都對(duì)芯片最高溫度有較大影響。芯片在空洞處部分散熱不良，因溫升較大形成熱點(diǎn)，電流在熱點(diǎn)附近集中從而導(dǎo)致器件燒壞，對(duì)產(chǎn)生熱點(diǎn)芯片進(jìn)行空洞拍照，孔洞率普遍較大。如圖3所示。

（2） 由于柵氧化層很薄，很容易受到雜質(zhì)（主要是Na+）玷污而引起電流集中。分別對(duì)熱點(diǎn)內(nèi)外進(jìn)行元素分析，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)處Na+含量較大，而在熱點(diǎn)外部其他部位則很少。

（3） 鍵合壓力過(guò)大，造成鍵合點(diǎn)下的硅晶體損傷，在芯片內(nèi)部留下殘留應(yīng)力，也會(huì)引起電流集中。水氣可以通過(guò)塑封料與外引線框架界面進(jìn)入塑封器件，再沿著內(nèi)引線與封裝料的界面進(jìn)入芯片表面，或者由于塑封料自身具有透水性，水氣可直接通過(guò)塑封料擴(kuò)散到芯片表面，吸收的水氣含有大量離子沾污物。此外，由于塑封材料中一般還加有填充劑、增塑劑、阻燃劑、催化劑、脫模機(jī)和顏料等[5]，如果固化劑中殘存有未反應(yīng)完的高分子合成樹(shù)脂，不僅會(huì)使塑封材料的熱性能惡化，而且易于發(fā)生水解并生成有害的Cl-，Na+等離子。當(dāng)Cl-含量大于0.4 ppm便會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生影響[6]。器件芯片表面存在Cl-玷污時(shí)，鋁腐蝕的反應(yīng)速度很快。Cl-在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下聚集在陽(yáng)極附近，與鋁膜表面的天然鈍化層發(fā)生反應(yīng)，生成可溶性鹽：

新生成的Cl-又繼續(xù)參加反應(yīng)，這是一種連鎖反應(yīng)，使反應(yīng)能自然地連續(xù)下去，所以只要有少量Cl-存在就會(huì)導(dǎo)致鋁的大量腐蝕。這樣一來(lái)，表面的Al2O3被腐蝕而受到破壞，未破壞表面和破壞的表面分別形成陰極和陽(yáng)極，陽(yáng)極處的金屬成為離子狀態(tài)而被溶解，產(chǎn)生電流流向陰極。由于陽(yáng)極面積與陰極相比很小，陽(yáng)極的電流密度很大，將進(jìn)一步腐蝕已破壞的表面。加上過(guò)大的鍵合應(yīng)力作用，破壞處將逐漸形成裂紋，并且裂紋會(huì)隨時(shí)間逐漸擴(kuò)展。這種裂紋能穿過(guò)晶粒進(jìn)而形成熱點(diǎn)。

（4） 線材本身及焊頭的毛刺以及固體顆粒玷污等，也會(huì)使局部電流集中而引起芯片燒穿，這種形式形成的熱點(diǎn)大都位于源極焊球附近，且芯片表面其他狀況正常。

（5） EOS/EDS也會(huì)引起熱點(diǎn)產(chǎn)生。過(guò)電應(yīng)力（EOS）是指元器件承受的電壓或電流應(yīng)力超過(guò)其允許的最大范圍。當(dāng)對(duì)器件的引腳持續(xù)的施加較大電壓或電流應(yīng)力，通常情況下使EOS 發(fā)生的電應(yīng)力要持續(xù)1 ms以上，但μs量級(jí)的電應(yīng)力也能造成過(guò)電力現(xiàn)象的產(chǎn)生，器件將會(huì)受EOS損傷在局部形成熱點(diǎn)，當(dāng)局部熱點(diǎn)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)使材料熔化，形成開(kāi)路或短路，導(dǎo)致器件燒毀。當(dāng)柵氧有針孔時(shí)，靜電放電（ESD）也會(huì)引起擊穿發(fā)生[7]。

3 VDMOS雪崩擊穿機(jī)理

如圖5所示，在VDMOS器件內(nèi)部各層間存在寄生二極管和三極管。當(dāng)漏源電壓大于閾值電壓時(shí)，器件開(kāi)始導(dǎo)通，電子由源極經(jīng)體表P型體區(qū)反轉(zhuǎn)層形成的溝道進(jìn)入漏極，之后直接進(jìn)入漏極節(jié)點(diǎn)；漏極寄生二極管的反向漏電流會(huì)在飽和區(qū)產(chǎn)生一個(gè)小的電流分量。而在穩(wěn)態(tài)時(shí)，寄生二極管、三極管的影響不大。

關(guān)斷時(shí)，為使器件體表反轉(zhuǎn)層關(guān)閉，應(yīng)當(dāng)去掉柵極電壓或施加反向電壓。這時(shí)，溝道電流開(kāi)始減小，感性負(fù)載使漏極電壓升高以維持漏極電流的恒定。漏極電壓升高，其電流由溝道電流和位移電流組成，其中位移電流是漏極體二極管耗盡區(qū)生成的，大小與[dVDSdt]成比例。漏極電壓升高的比率與寄生三極管基極放電以及漏極耗盡區(qū)充電的比率有關(guān)；而后者是由漏?源極電容、漏極電流決定的。在忽略其他原因時(shí)，漏極電流越大電壓會(huì)升高的越快。如果沒(méi)有外部鉗位電路的保護(hù)，漏極電壓會(huì)持續(xù)升高，則漏極體二極管將會(huì)由于雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生較多的載流子，而進(jìn)入持續(xù)導(dǎo)通模式。此時(shí)，全部漏極電流（即雪崩電流）流過(guò)體二極管，從而發(fā)生雪崩擊穿。

總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)加在功率管上的能量超過(guò)臨界值時(shí)，器件內(nèi)部各個(gè)地方因電流局部集中而出現(xiàn)熱點(diǎn)，結(jié)果因局部溫升較快而引起電流不斷增大，最后導(dǎo)致器件損壞。

4 改善VDMOS熱擊穿方法

首先在器件設(shè)計(jì)上可通過(guò)降低P?body寄生電阻[Rb]下手，只要[Rb]盡可能小，使器件承受反向耐量時(shí)，[Rb]上的壓降小于N+/P-結(jié)的正向壓降，寄生三極管才不會(huì)導(dǎo)通，也就不會(huì)燒壞器件。通過(guò)增加P?body結(jié)深來(lái)減小寄生電阻，但是P?body結(jié)深如果太深，在源擴(kuò)散結(jié)深不變的情況下，溝道長(zhǎng)度會(huì)隨之增加，所以結(jié)深選取要適當(dāng)；此外，可以通過(guò)增加P?body區(qū)的摻雜濃度來(lái)減小[Rb，]但是濃度的變化還受到閾值電壓等因素的限制。因此，P?body濃度選擇也需要適當(dāng)。其次，改善器件的散熱機(jī)構(gòu)，改進(jìn)芯片燒結(jié)材料和工藝，減少接觸電阻，盡量減少空洞，提高散熱性能。最后，減少芯片表面和體內(nèi)缺陷。如提高光刻質(zhì)量，辟免出現(xiàn)套刻不準(zhǔn)、嚴(yán)重毛刺和針孔；提高鍵合質(zhì)量和工藝潔凈度等。

5 結(jié) 語(yǔ)

功率VDMOS器件在進(jìn)行雪崩能量測(cè)試或使用過(guò)程中，雜質(zhì)離子、線材本身或焊頭毛刺、空洞等都會(huì)引起器件芯片局部電流集中而產(chǎn)生熱點(diǎn)，從而造成器件的永久失效，可以在器件設(shè)計(jì)和工藝流程各方面進(jìn)行改善以減少熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

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