The Relationship between Excessive Leakage Current，Large Thermal Resistance and Voids Rate*

TAN Xi，PU Niannian，XU Dongmei，CUI Weibing，WANG Lei，ZHU Yupeng，CHAI Yanke，LIU Su*

(1.Institute of Microelectronics of LanZhou university，LanZhou 730000，China;2.Huatianelectroniccompany，TianShui Gansu 741000)

The Relationship between Excessive Leakage Current，Large Thermal Resistance and Voids Rate*

TAN Xi1，PU Niannian1，XU Dongmei2，CUI Weibing2，WANG Lei2，ZHU Yupeng2，CHAI Yanke1，LIU Su1*

(1.Institute of Microelectronics of LanZhou university，LanZhou 730000，China;2.Huatianelectroniccompany，TianShui Gansu 741000)

Commercialized VDMOS failed to meet designed values for many reasons．Usual problems are excessive leakage current and large thermal resistance．Failed VDMOS was characterized using X-RAY，SEM and EDS．The relationship between excessive leakage current，large thermal resistance and voids rate was acquired．The results show leakage current and thermal resistance increase in direct proportion to voids rate when voids rate keeps in a low level，while the ratio changes．We attribute this to different dilatation coefficient and thermal conductivity of each material，as well as low thermal conductivity of air．Moreover，large thermal resistance will facilitate migration of Al and polluted ion，which causes increasing leakage current in turn．

VDMOS;excessive leakage current;large thermal resistance;void rate;X-RAY;SEM;EDS

功率VDMOS器件具有輸入阻抗大，開關速度快，驅動電流和損耗小，體積小的諸多優(yōu)點，近年來，功率VDMOS器件被廣泛應用于各類民用、工業(yè)、軍用產品中。功率VDMOS器件存在塑料、金屬、陶瓷、玻璃等封裝形式，塑封器件因為體積小、重量輕、結構簡單、工藝方便、耐化學腐蝕、電絕緣性好、機械強度高等優(yōu)點在各類封裝形式中所占比例最大。但塑封VDMOS器件在使用中仍存在較多失效，如濕氣、分層、劃傷、軟焊料空洞等造成大漏電，熱阻過高等多種失效模式。塑封料器件容易因為諸多原因造成早期失效的缺點限制了其良性率提高和器件的廣泛使用，而失效的根源主要包括器件結構設計問題、材料不合適、工藝上的缺陷等。塑封VDMOS失效數(shù)據(jù)表明，器件大漏電、熱阻過高、EAS雪崩測試不良是最主要的3種失效模式。本次研究了塑封VDMOS器件后道工藝的主要流程:切晶→上芯→壓焊→塑封→后固化→電鍍→編帶再測試，并測試了塑封VDMOS器件經后道工藝后漏電流和熱阻值的大量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)廣泛應用的VDMOS器件中，大漏電和高熱阻問題并行出現(xiàn)的幾率較大。對后道工藝中存在的各種失效機制進行了研究，最終發(fā)現(xiàn)軟焊料中空洞率與塑封VDMOS熱阻高低和漏電流大小直接相關。整個流程中存在污染、劃傷、分層、虛焊、銀膠上溢、軟焊料空洞等諸多失效機制。

已經有大量研究從器件設計，材料匹配、制造工藝等多方面分析了大漏電和熱阻過高的失效機理。關于漏電流過大的成因，李新的研究表明［1］后道工藝中的濕氣中含有大量離子玷污物，與芯片鍵合區(qū)甚至與芯片的金屬化層發(fā)生化學反應會帶來漏電流的增大;陸寧的研究表明［2］鈍化層質量是產生大漏電的主要原因，鈍化層不平整，含有雜質等均將增大漏電流;劉俠的研究通過高溫反偏試驗提出［3］進入硅表面的二氧化硅薄膜中的雜質離子，在N型摻雜硅中會引起電子的積累，在P型摻雜硅會引起材料表面反型，另外半導體或絕緣體材料中的電子、可動離子等會在電場的作用下有向分布，溫度影響漏電流大小;江清明的研究通過對Al通孔試驗樣品進行高溫恒定電流加速電遷移壽命實驗，提出高溫條件下電遷移壽命會降低、漏電流會增加。關于高熱阻問題，廣泛存在于軟焊料中的空洞是主要影響因素。施建根的研究中提出［4］空洞率過高或存在大型空洞時會引起器件熱阻過高;謝鑫鵬的研究表明［5］對于功率器件而言，長期處于功率循環(huán)中，界面系統(tǒng)的溫度膨脹系數(shù)CTE的失配會加速界面疲勞，最終導致軟焊料中很小的氣泡會有擴散和增大的趨勢;唐穗生的研究表明［6］隨著空洞率的增加會帶來ΔVds增加以及EAS失效。以上研究統(tǒng)計結果表明，從不同角度均有對大漏電、高熱阻問題的討論。然而對于廣泛存在的空洞問題是否影響到大漏電、較小空洞率下熱阻是否依然受空洞率影響卻鮮有研究。本文著重于從測試數(shù)據(jù)出發(fā)分析軟焊料中空洞率較小時，VDMOS器件空洞率與大漏電和高熱阻問題的相關關系。并解析空洞率改變造成以上問題的主要原因。

1　相關理論

1．1VDMOS器件

VDMOS(Vertical Double-Diffusion Metal-Oxide-Semiconductor)垂直雙擴散金屬氧化物晶體管，通過平面自對準雙擴散制成，以N型溝道為例，其單胞結構圖如圖1所示。正常工作時，VGS正偏、VDS正偏，在P型區(qū)形成導電溝道，電子流向如圖中箭頭所示。這種結構具有較短溝道，因此柵源開啟電壓Vth小;具有縱向漏極，故而耐壓大。同時，VDMOS器件是由多個圖1所示的單胞并聯(lián)構成。因為這種多單胞的結構，VDMOS的電流較大。

圖1　VDMOS單胞結構

1．2軟焊料空洞

軟焊料空洞普遍存在，主要產生于上芯過程中［7］。通過軟焊材料即焊錫材料粘結引線框架和芯片。整個上芯過程中，充斥N2、H2于整個環(huán)境中，N2作為惰性氣體趕走活性氣體，H2還原已被氧化的Cu引線框架。通過電腦程序以及光學和傳感系統(tǒng)確定芯片位置，放置好引線框架。通過加熱引線框架的同時，使焊錫靠近引線框架，焊錫因高溫熔化滴在引線框架中央位置。焊錫融化時，頂針將晶圓上切割好的芯片上頂、真空吸嘴吸住芯片，芯片被放置于熔融的焊錫上，使兩者完整粘結。整個上芯過程中，由于焊錫材料中含有揮發(fā)性物質，引線框架上氧化物均可在高溫條件下?lián)]發(fā)，導致在焊錫材料中形成氣泡;另外溫度控制不合適、放置芯片時力度不夠、N2、H2充斥速度過大等均可造成軟焊料中空洞。因此，軟焊料空洞廣泛存在，這種廣泛存在的空洞與大漏電和高熱阻兩種主要失效模式之間的相互關系是此次研究的重要內容。通過X-RAY檢測儀對軟焊料中空洞率進行分析檢測，X-RAY不可以通過軟焊料，卻可以通過空氣。故通過X-RAY可以得出軟焊料中空洞幾率。

1．3漏電流

正常情況下，對于塑封VDMOS器件，只有當VGS＞0，VDS＞0時，導電溝道形成，漏源(DS)之間才有可能形成導通電流。當VGS＜0或者VDS＜0時，DS之間仍存在電流時，或柵源(GS)之間存在電流，當這個電流超過一定范圍時，稱為漏電流。漏電流又分為柵源漏電流和漏源漏電流。

1．4熱阻

熱阻指的是熱流(功率)流過導熱體所受到的阻力。定義為器件熱流通道上溫度差與產生溫差的耗散功率的比。

其中T

j

表示結溫，T

a

表示環(huán)境溫度，T

c

表示器件表面殼體溫度，P表示耗散功率，分別代表R

thja

和R

thjc

兩種類型的熱阻。對于器件熱的傳遞包括3種主要形式:熱傳導、熱輻射、熱對流。其中熱傳導約占60%，熱對流約占25%～30%，熱輻射只占10%～15%。熱傳導屬于R

thjc

的范疇，熱輻射與熱對流屬于R

thja

的范疇。R

thja

與R

thjc

之間的區(qū)別如圖2(a)所示。

圖2　Rthja與Rthjc異同

從測試原理區(qū)分，功率VDMOS的熱阻分為穩(wěn)態(tài)熱阻［8］和瞬態(tài)熱阻［9］兩種。穩(wěn)態(tài)熱阻是在提供器件連續(xù)脈沖且器件溫度達到穩(wěn)定的條件下測量的，而瞬態(tài)脈沖是在提供器件單一脈沖的溫度不穩(wěn)狀態(tài)下測量的。穩(wěn)態(tài)熱阻是考核器件設計對器件性能的影響，而瞬態(tài)熱阻更多考核工藝對器件可靠性造成的影響。本次研究測試的是瞬態(tài)熱阻，通過瞬態(tài)功率脈沖較為迅速的測試出功率VDMOS器件的熱阻，判斷出器件散熱能力的高低。熱阻測試原理如圖2(b)所示，通過加瞬態(tài)單一脈沖測試等效二極管兩端壓降DVDS來反應溫度變化，等效二極管I-V特性與溫度的關系:，則，其中為常數(shù)，溫度變化ΔT=αΔU，可得出熱阻。選擇這種方式作為瞬態(tài)熱阻測試，一方面是因為瞬態(tài)溫度獲取的不方便，更為重要的是體二極管是漏源(DS)一部分，其電壓變化可以表征整個DS間電壓變化。

2　實驗數(shù)據(jù)采集與分析

從生產工藝出發(fā)，采集大量大漏電、高熱阻樣品的直流參數(shù)、熱阻、空洞率數(shù)據(jù)，另外對部分器件進行了SEM和EDS分析檢測。對于直流參數(shù)采集，使用STA2100測試機，主要關心IDSS和ISGS兩個關于漏電流的參數(shù)的測試。對于熱阻測試，使用DM2000測試機，主要關心Rth這項數(shù)據(jù)。另外，X-RAY檢測儀測試空洞率，SEM拍照觀測表面形態(tài)，EDS能譜分析檢測污染離子聚集。

2．1熱阻與空洞率

在§1．4中已提到，芯片的3種主要傳熱方式中熱傳導約占60%，熱對流約占25%～30%，熱輻射只占10%～15%。作為主要傳熱方式的熱傳導的主要途徑是通過軟焊料連接芯片和引線框架散熱。而空洞正好存在于作為重要連接材料的軟焊料中。一般而言，軟焊料主要材料為錫鉛合金，而錫鉛以及Cu引線框架的導熱率遠高于空氣的導熱率，具體相關材料的導熱系數(shù)如表1所示。

表1　300K下錫、鉛、銅、硅、空氣導熱率

由表1可知錫、鉛、銅、硅的導熱率均遠高于空氣導熱率，故而當軟焊料中含有空洞時，空洞將給芯片通過軟焊料到Cu引線框架的散熱路徑帶來嚴重阻礙，數(shù)值上的表現(xiàn)即帶來熱阻值的增大。當軟焊料中空洞造成熱阻過大，帶來散熱不良，進一步造成芯片局部高溫，高溫會進一步造成電流增大，而根據(jù)PN結間IV關系，可知電流增大會繼續(xù)增大器件功耗帶來結溫上升。在這樣的正反饋情形下，器件惡化的幾率大大增加。另外一個重要原因，作為功率VDMOS器件，需要長期工作于功率循環(huán)中，也加速了I與T之間的正反饋。故判斷熱阻會隨著空洞率的增大而增大。另外因為芯片的3種主要傳熱方式中熱傳導約占60%，熱對流約占25%～30%，熱輻射只占10%～15%。因此空洞率較小時，由于空洞所造成的熱傳導路徑上的阻力可以通過熱輻射和熱對流得到緩解，故判斷空洞率較小時，熱阻隨空洞率的增長速度遠不如空洞率較大時的增長速度。

已有研究表明空洞率較大時會引起Rth的增大，本次研究推測不僅空洞率較大對器件熱阻有影響，當空洞率較小時，Rth與空洞率之間依然存在正相關關系，只是空洞率越小時Rth隨空洞率增長速度不如空洞率大的時候Rth的增長速度，并且空洞率較小時，Rth隨著單位空洞率的浮動較大，規(guī)律性不強。為驗證較小空洞率時，熱阻隨空洞率變化，選取某產品數(shù)據(jù)進行擬合，如圖3所示。

圖3　Rth與空洞率相關關系

由圖3(a)數(shù)據(jù)擬合結果可知，隨著空洞率的增大，Rth呈現(xiàn)增長趨勢;但空洞率＜4．5%時的Rth增長速度落后于空洞率＞4．5時的Rth增長速度。另外，大部分數(shù)據(jù)點集中在空洞率＜4．5%的情形下，因此將空洞率＜4．5%范圍內，Rth隨空洞率增長的趨勢進一步作圖，將該范圍的數(shù)據(jù)進行擬合，結果如圖3(b)所示。由圖3(b)可知，空洞率=2．5%前后Rth隨空洞率增大的速度有所不同。當空洞率＜2．5%時，Rth會在1．14～1．19這個較小的范圍變化;而當2．5%＜空洞率＜4．5%時，Rth會在1．19～1．32之間變化，變化幅度較空洞率＜2．5%時進一步增大。所測芯片中，空洞率＜2．5%時的芯片占到所有測試樣品的52.6%，故進一步將空洞率＜2．5%時的，Rth與空洞率之間的相關關系進行擬合，如圖3(c)所示。由圖3(c)可以看出，雖然Rth隨空洞率的變化有一定范圍內的浮動，但在空洞率＜2．5%這種空洞率特別小的情形下，Rth與空洞率之間仍存在正相關關系。因為上芯過程中壓焊溫度控制不當、惰性氣體注入速度過快、載體氧化物揮發(fā)等原因帶來的軟焊料中的空洞，熱阻值體現(xiàn)出隨空洞率增長而增長的趨勢。熱阻值升高是因為空洞存在帶來的早期失效，另一方面，功率VDMOS長期處于功率循環(huán)中，如果相連材料間溫度膨脹系數(shù)不同，則長期高溫以及功率循環(huán)環(huán)境下，小型的孔洞也會膨脹擴大，使得器件空洞率上升、大型空洞增加，這必然帶來器件熱阻值的增加和其他性能的進一步惡化，即由于空洞存在帶來的后期失效。芯片、軟焊料、Cu引線框架主要材料錫、鉛、銅、硅的溫度膨脹系數(shù)如取自表2所示。

表2　錫、鉛、銅、硅、空氣溫度膨脹系數(shù)

由表2可知，錫、鉛、銅、硅以及空氣間的線膨脹系數(shù)相差較大，故長期工作于功率循環(huán)下的VDMOS器件，如果存在小型空洞，也是器件潛在的危險。因此由于小型空洞存在給器件早期測試出廠和后期使用中帶來極大影響，所以嚴格控制后道工藝上芯過程中空洞的產生是亟待解決的問題。

圖4　ANSYS熱模擬

為直觀體現(xiàn)空洞存在給期間帶來的工作溫度的改變，使用ANSYS熱分析軟件［10］對含有空洞的不良品與不含空洞的良品進行了熱模擬，其模擬結果如圖4所示。

由圖4可知，空洞的存在將帶來器件整體工作溫度的升高以及空洞處的溫度急劇提升，而這樣的不均勻的溫度分布以及溫度升高即體現(xiàn)在熱阻值的升高上。

2．2ISGS、IDSS與空洞率之間關系

引言中已提到大漏電的來源有很多方面，而通過研究得到其主要來源有兩方面:可動污染離子運動，Al的電遷移［11］。后道工藝中從切晶到塑封，芯片一直裸露于環(huán)境中。切晶到塑封中任意環(huán)節(jié)工作環(huán)境控制不當，去離子水不潔凈，原材料不純凈等均將帶來離子污染。造成大的漏電流的可動污染離子，隨著溫度的升高而加劇定向運動，因此推斷隨著溫度的升高，溫升較高的地方會聚集可動污染離子帶來的漏電流的增大。另一方面，Al的電遷移是指在高溫或大電流下的質量輸運現(xiàn)象，結果在一定區(qū)域形成Al的空洞，一定區(qū)域形成Al的堆積。Al的空洞造成開路，Al堆積造成短路。Al的堆積將帶來漏電流的增加［12］。而Al電遷移的壽命模型可以用BLACK方程描述:。其中，MTF為電遷移樣品壽命，J為電流密度，Ea為激活能，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。由方程可知，隨著溫度T的增大，器件的電遷移壽命MTF將減小。同時Al質軟、機械強度差在工藝中易劃傷等特點進一步促進了Al在高溫和大電流下的電遷移。由于隨著空洞率升高，將導致器件熱阻升高，在器件工作過程中會導致芯片散熱不良或局部過熱，而理論分析，高溫環(huán)境下應該會帶來可動污染離子運動和Al的電遷移加劇造成漏電流增大。因此，推斷漏電流與空洞率之間應該存在正相關關系，故將數(shù)據(jù)擬合如圖5所示。

圖5　ISGS與空洞率相互關系

由圖5數(shù)據(jù)擬合得到的曲線可知當空洞率較小時，漏電流ISGS、IDSS的大小與空洞率之間亦存在正相關關系。由圖5(a)、5(b)可判斷出柵源漏電流∝空洞率。并且由圖5(a)可知，空洞率=2．5%約為ISGS隨空洞率增大速度改變的一個中間點。同時因為空洞率＜2．5%的芯片占了整個測試芯片的大部分，因此將空洞率＜2．5%條件下，ISGS與空洞率之間進一步擬合，如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，當空洞率較小時，ISGS與空洞率之間也表現(xiàn)為在一定范圍內波動增大。因此我們推測空洞率較小時，空洞率的大小也正相關于柵源漏電流ISGS的大小。由圖5(c)可知，IDSS也體現(xiàn)出隨空洞率增加而增加的趨勢，我們仍然可以發(fā)現(xiàn)空洞率=2．5%可以作為IDSS隨空洞率增大速度的一個分界點?？斩绰剩?．5%時，IDSS隨空洞率的變化如圖5(d)所示。綜上所述，通過圖5，得出隨著空洞率的增大，漏電流ISGS、IDSS均會隨著空洞率的增加而增加;只是空洞率=2．5%作為分界點，當空洞率＜2．5%時漏電流增大速度不如空洞率＞2．5%時快。同時對比3．1所得出的Rth與空洞率之間關系發(fā)現(xiàn)，隨著空洞率的增大，Rth、ISGS、IDSS增長的趨勢很相似，均在2．5%前后表現(xiàn)出增長速度不同。隨著空洞率增大的增大ISGS、IDSS均會增大，而通過2．1已知空洞的增大會造成Rth增大，散熱能力的下降。故判斷ISGS、IDSS隨空洞率增大的原因主要來自于Rth增大造成的散熱能力的下降，結溫的升高［13］。

以上研究結果已表明，ISGS、IDSS會隨空洞率增大而增大，符合高溫帶來Al的電遷移和可動污染離子移動的推斷。為進一步證明因為空洞存在造成的器件散熱不良導致的結溫升高，會進一步導致可動污染離子運動加劇，并且Al的電遷移現(xiàn)象也會更明顯。所以接下來采取SEM以及EDS觀測高溫熱點周圍Al的電遷移和可動污染離子聚集現(xiàn)象。通過SEM觀測了存在燒傷熱點的芯片的熱點及其周圍的Al堆積現(xiàn)象。如圖6所示。

圖6　燒傷熱點及其周圍Al堆積現(xiàn)象

由圖6可知熱點周圍存在堆積的Al，而不存在熱點的其他Al表面較為平整?？梢夾l會朝著高溫區(qū)域運動，帶來高溫區(qū)域的Al堆積。存在空洞的VDMOS塑封器件，因為空洞存在，帶來熱分布不均勻，空洞處溫度較高形成小型過熱區(qū)域，加速此區(qū)域的Al堆積，而Al堆積帶來的器件性能不良主要體現(xiàn)在直流參數(shù)IDSS和IGSS上。關于可動離子污染運動，對熱點及其周圍區(qū)域進行了EDS能譜分析，如圖7所示。

圖7　熱點附近EDS取點區(qū)域及EDS能譜圖

由以上能譜分析結果可知，燒毀熱點處存在Na、P、Cl離子聚集，而在燒毀熱點0．5 μm～1 μm的區(qū)域已完全檢測不到污染離子的存在。軟焊料存在的空洞造成塑封VDMOS器件工作時溫度分布不均，使得可動污染離子朝著溫度較高區(qū)域聚集，而可動污染離子濃度在該區(qū)域的增高也將引起該區(qū)域漏電流的增大。

綜上所述，在高溫循環(huán)工作情形下，小型的空洞也會帶來器件溫度分布不均，進一步帶來高溫處Al的電遷移和可動污染離子的堆積，從而增大漏電流?？斩锤淖兟╇娏髋c熱阻隨空洞變化的規(guī)律一致，均可以空洞率＜2．5%為分界點，較小空洞率時，其隨空洞率增長的趨勢較緩慢，而隨著空洞率上升，漏電流等增長趨勢會增加的更明顯。

3　結論與分析

通過直流參數(shù)，熱阻參數(shù)以及X-RAY、SEM、EDS分析檢測證明了，當空洞率較小時，熱阻依然隨空洞率的增加而增加，并且此次研究表明，空洞率=2．5%作為分界點，當空洞率＜2．5%時，Rth、ISGS、IDSS隨空洞率增大變化較緩慢，而空洞率＞2．5%增速較快。推斷Rth隨著空洞率增加而增加是因為空氣導熱率遠不如錫、鉛、銅、硅導熱率，而空洞較小時Rth增長速度較慢是因為熱傳導只是器件散熱途徑之一，而同時由于錫、鉛、銅、硅、空氣溫度膨脹系數(shù)相差甚遠，故而小型空洞也會成為功率VDMOS器件的潛在危害。關于漏電流隨著空洞率的增長表現(xiàn)出了與Rth隨空洞率增長的相同增長趨勢，判斷漏電流隨著空洞率的增長實際上是空洞存在造成器件工作時溫度分布不均，引起高溫區(qū)域Al堆積以及污染離子聚集，最終帶來的漏電流的上升。通過此次研究，可知軟焊料中空洞的存在嚴重影響到了器件性能，尋找溫度膨脹系數(shù)更接近、導熱率更高的軟焊料，選擇較好的芯片背材和控制工藝條件是上芯過程尤其要主要的問題。

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譚稀(1991－)，女，蘭州大學物理科學與技術學院微電子與固體電子學在讀碩士研究生，主要研究方向為半導體器件與集成電路及其相關研究，tanx13@lzu．edu．cn;

劉肅(1953－)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為半導體器件與集成電路，寬禁帶半導體薄膜材料及器件，有機發(fā)光器件等。

EEACC:2570F10．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．009

功率VDMOS器件漏電流、熱阻與軟焊料空洞率的關系*

譚稀1，蒲年年1，徐冬梅2，崔衛(wèi)兵2，王磊2，朱宇鵬2，柴彥科1，劉肅1*
(1.蘭州大學微電子研究所，蘭州730000;2.華天微電子股份公司，甘肅天水74100)

現(xiàn)在被廣泛應用的VDMOS器件存在諸多失效模式，主要表現(xiàn)為直流參數(shù)大漏電和熱阻過高問題，限制了器件應用。通過對其失效器件進行X-RAY、SEM、EDS分析表征得到相關規(guī)律。研究結果表明空洞率相對較小時，漏電流大小、熱阻值高低均與空洞率成正相關關系，只是隨空洞率增長的趨勢有所變化。構成器件的不同材料膨脹系數(shù)與導熱率不同以及空氣導熱率較低是空洞率引起熱阻值改變的主要原因;高熱阻加速了Al的電遷移和可動污染離子移動，最終導致器件漏電流增大。關鍵詞:VDMOS;大漏電;高熱阻;空洞率;X-RAY;SEM;EDS

TN305．94;TN386．1

A文獻標識碼:1005－9490(2015)01－0037－07

2014－01－07修改日期:2014－02－13

項目來源:甘肅省科技重大專項項目(1203GKDE008)