肖特基二極管銀遷移失效機(jī)理分析和研究

石謹(jǐn)寧 周道明

（長(zhǎng)城電源技術(shù)有限公司 廣東省深圳市 518108）

電子產(chǎn)品中的金屬電遷移導(dǎo)致的失效現(xiàn)象主要表現(xiàn)為生成樹(shù)枝狀枝晶生長(zhǎng)，導(dǎo)致兩個(gè)相鄰導(dǎo)體之間產(chǎn)生不應(yīng)有的電氣連接而失效。在半導(dǎo)體器件常用的金屬中，引起離子遷移的金屬不限于銀，還有相當(dāng)多已知的金屬和合金，并且引起遷移的速度的次序大致如下[1]：Ag>Cu>Sn>Au。在電子元器件中含銀的焊料因其具有良好的流動(dòng)性和填充能力，被廣泛用于芯片和片式元件的貼裝以及芯片、半導(dǎo)體器件的Bonding 線(xiàn)或晶圓焊接，一般銀遷移現(xiàn)象在表貼元件如電阻、電容等器件中較為頻發(fā)，而在塑封器件中發(fā)生較少，其主要原因是塑封材料具有良好的密封性和穩(wěn)定的材料結(jié)構(gòu)。本文提供了開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中肖特基二極管的銀遷移失效案例，闡述了在插件封裝半導(dǎo)體器件中的銀遷移失效機(jī)理，并給出分析方法和預(yù)防措施。

1 銀遷移失效機(jī)理

電子元件的遷移根據(jù)發(fā)生環(huán)境的不同有兩種表現(xiàn)形式。電遷移是一種在相對(duì)較高溫度（150℃）的干燥環(huán)境中發(fā)生電子動(dòng)量傳遞的固態(tài)遷移，離子遷移是發(fā)生在周?chē)鷾囟鹊陀?00℃的潮濕環(huán)境中[2]。離子遷移是由于電流使電離產(chǎn)生的少數(shù)離子在導(dǎo)體中產(chǎn)生流動(dòng)，當(dāng)關(guān)閉施加電壓后，離子進(jìn)行隨機(jī)的熱擴(kuò)散現(xiàn)象。

本文闡述的銀遷移屬于離子遷移的表現(xiàn)形式，受溫度、電壓和正負(fù)電極的距離所影響。在塑封器件封裝中最重要的遷移參數(shù)是導(dǎo)體的組成、環(huán)境濕度水平和密封性的類(lèi)型。

銀遷移是個(gè)電化學(xué)過(guò)程，但銀遷移在塑封器件中的是比較少見(jiàn)的失效模式，銀需要在高濕條件和外加電場(chǎng)下與絕緣體接觸，才能以離子的形式離開(kāi)初始位置并重新沉積到新的位置[2]。銀遷移通常分為三個(gè)步驟：電解、離子遷移和電沉積。

1.1 電解

在電場(chǎng)作用下銀金屬被電解形成銀離子，潮濕的水汽被離子化。

1.2 離子遷移

陽(yáng)極的銀離子與氫氧根離子反應(yīng)析出膠體沉淀物AgOH，陰極的氫離子與電子結(jié)合釋放出氫氣揮發(fā)。

1.3 電沉積

膠體沉淀物不穩(wěn)定，在陽(yáng)極分解成Ag2O 沉淀；Ag2O 沉淀物繼續(xù)發(fā)生水合反應(yīng)，析出AgOH 晶狀物沉積。

2 銀遷移案例分析

2.1 案例背景

失效樣品為交換機(jī)適配開(kāi)關(guān)電源。在客戶(hù)端使用近2年時(shí)間后多個(gè)電源出現(xiàn)無(wú)輸出，部分現(xiàn)象為輸出時(shí)有時(shí)無(wú)，失效集中在同一批次。經(jīng)過(guò)初步分析定位，失效器件是為輸出12V 進(jìn)行整流的肖特基二極管，該器件因短路失效導(dǎo)致電源無(wú)輸出。

2.2 失效分析

將失效樣品與良品電源交叉驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)線(xiàn)路異常故障問(wèn)題。將失效的肖特基管進(jìn)行X-ray 觀察對(duì)比，發(fā)現(xiàn)失效樣品內(nèi)部有細(xì)小陰影，表明晶圓基本結(jié)構(gòu)有變化，說(shuō)明存在損傷。通過(guò)化學(xué)開(kāi)封去樹(shù)脂后，在焊接釘頭與晶圓邊緣發(fā)現(xiàn)燒點(diǎn)，在燒點(diǎn)周邊有疑似晶體裝的異物存在。

如圖1所示，去掉焊接釘頭觀察晶圓，可以看到該肖特基為平面結(jié)構(gòu)。燒點(diǎn)在場(chǎng)限環(huán)邊緣，外延層附近多個(gè)位置存在異物，電鏡下觀察邊緣處的異物呈現(xiàn)細(xì)小的枝晶狀。如圖2所示。

圖1：去樹(shù)脂后的失效肖特基顯微圖像

圖2：失效肖特基晶圓顯微圖像

對(duì)晶圓失效點(diǎn)表面進(jìn)行元素定量分析，確認(rèn)所存在的表面元素成分。結(jié)果發(fā)現(xiàn)晶圓場(chǎng)限環(huán)附近及外延層多個(gè)位置存在銀元素，檢測(cè)點(diǎn)成分含量最大處高達(dá)51.07%wt，位于擊穿點(diǎn)附近位置。如圖3和表1所示。

表1：各譜圖位置Ag 含量

圖3：表面色譜分析

掃描電子顯微鏡成像顯示，含銀元素位置呈現(xiàn)枝晶狀擴(kuò)散。因此該失效為典型的銀遷移失效，銀遷移導(dǎo)致了晶圓漏電，在反向電壓作用下邊緣形成局部熱點(diǎn)，導(dǎo)致芯片耐壓降低而燒毀擊穿。如圖4所示。

圖4：掃描電子顯微鏡成像

2.3 銀遷移路徑

肖特基二極管和普通二極管的差異在于肖特基結(jié)。肖特基結(jié)是某些金屬如鎳、鉻、鉑、鈀、鎢或鉬等和N 型半導(dǎo)體材料接觸后，電子從N 型半導(dǎo)體材料中擴(kuò)散進(jìn)入金屬?gòu)亩诎雽?dǎo)體材料中形成的一個(gè)類(lèi)似PN 結(jié)勢(shì)壘的耗盡層，具有和常規(guī)PN 結(jié)類(lèi)似的特牲。

肖特基二極管的晶圓結(jié)構(gòu)一般有平面結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)、溝槽結(jié)構(gòu)等。該肖特基結(jié)為平面結(jié)構(gòu)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)是最典型的肖特基結(jié)構(gòu)，其最大的特點(diǎn)就是制造簡(jiǎn)單、工藝成熟。肖特基接觸金屬為鈦鎳合金(Ti-Ni)，晶圓焊接使用含銀(Ag)焊料。為研究銀遷移在平面肖特基二極管晶圓上的生長(zhǎng)路徑，對(duì)失效品進(jìn)行切片和層間金屬分析以區(qū)分各層結(jié)構(gòu)。肖特基管襯底為N+型高濃度摻雜區(qū)，外延層為N 型半導(dǎo)體，絕緣非金屬氧化物SiO2為鈍化保護(hù)層，金屬合金材料Ti-Ni-Ag 與N 型半導(dǎo)體摻雜形成肖特基結(jié)。如圖5所示。

圖5：平面結(jié)構(gòu)肖特基晶圓分層結(jié)構(gòu)

當(dāng)在肖特基勢(shì)壘兩端加上正向偏壓（陽(yáng)極金屬接電源正極，N+型襯底接電源負(fù)極）時(shí)[3]，肖特基導(dǎo)通，此時(shí)肖特基結(jié)壓降僅0.7V，該電壓很小，不足以引起Ag+發(fā)生遷移。當(dāng)加反向偏壓（陽(yáng)極金屬接電源負(fù)極，N+型基片接電源正極），肖特基結(jié)的壓降很高，此時(shí)金屬面中電離出的Ag+離子向攜帶自由電荷的N 型外延層移動(dòng)。當(dāng)在濕氣作用下，Ag+有加速向N 型半導(dǎo)體遷移的趨勢(shì)，并沿著SiO2層逐漸沉積蔓延。如圖6所示。

圖6：平面結(jié)構(gòu)肖特基銀遷移路徑

2.4 材料分析

取更多的失效樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡成像觀察，發(fā)現(xiàn)有部分未完全失效的肖特基管，其側(cè)面劃片區(qū)存在銀遷移枝晶。離子遷移由溫度、濕度、導(dǎo)體距離三者共同作用，金屬層和N 型半導(dǎo)體之間有SiO2鈍化保護(hù)環(huán)間隔，同時(shí)外部塑封材料能夠阻止一些濕氣侵入，因此在正常的使用環(huán)境下，一般不會(huì)形成銀遷移。

對(duì)比不同批次的晶圓，發(fā)現(xiàn)失效批次的物料存在晶體偏薄偏小的情況。廠商提供的晶圓長(zhǎng)寬尺寸為1830um,實(shí)際量測(cè)長(zhǎng)寬尺寸減少了20um 左右，而晶圓厚度偏薄4um 左右。

觀察不同批次周期的開(kāi)封視圖，發(fā)現(xiàn)失效批次的焊錫在晶圓邊緣有不同程度的浸出，導(dǎo)致SiO2鈍化區(qū)域?qū)挾葴p少。有部分晶圓甚至在劃片區(qū)就出現(xiàn)了銀遷移的現(xiàn)象。根據(jù)廠家的工藝調(diào)查，該批次的晶片結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變但焊錫工藝未做調(diào)整，因此導(dǎo)致了焊料有不同程度的浸出現(xiàn)象，使焊料中的Ag 與N 型外延層的距離大大減少，在少量濕氣的長(zhǎng)時(shí)間作用下形成了銀遷移，進(jìn)而使反向漏電加大，最終導(dǎo)致PN 結(jié)擊穿。如圖7所示。

圖7：平面肖特基結(jié)構(gòu)劃片區(qū)銀遷移現(xiàn)象

3 抗離子遷移的措施

上述的案例說(shuō)明，肖特基二極管的平面工藝結(jié)構(gòu)本身對(duì)離子遷移的形成具有有利的條件，此類(lèi)器件不適合用于惡劣環(huán)境中，尤其是在溫、濕度相對(duì)差的環(huán)境下。但是肖特基二極管相比一般硅二極管具有較低的正向壓降和較小的反向恢復(fù)時(shí)間等良好優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中有必要在找到肖特基二極管抗離子遷移的一些措施。

選型上應(yīng)盡可能使用非平面結(jié)構(gòu)（如溝槽結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)）的肖特基管，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的肖特基管焊接點(diǎn)接觸面小，使得離子遷移的導(dǎo)體距離增加，降低了銀遷移的風(fēng)險(xiǎn)。另外肖特基二極管從封裝形式區(qū)分有引線(xiàn)和表面安裝兩種，引線(xiàn)式封裝的肖特基二極管，特別是軸向引線(xiàn)式的封裝在生產(chǎn)中常有彎腳、闊腳等二次工藝需求，從而導(dǎo)致了引線(xiàn)位置有存在密封不良的風(fēng)險(xiǎn)，而表貼封裝則避免了這種隱患。

設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)合理地進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，盡可能降低電流密度，以防止熱不均勻性和降低晶圓溫度，使離子遷移的形成速度大大降低；

材料上應(yīng)當(dāng)使用性能更良好的焊料，降低焊料中的銀焊料。二元銀合金被廣泛用來(lái)減少銀遷移，例如Ag-Pd 焊錫。從許多已建成的相圖中可以發(fā)現(xiàn)，銀和鈀表現(xiàn)出完全的固溶度。在純銀中加入鈀可以改善焊料的抗浸出性和減少銀遷移。

4 結(jié)論

肖特基二極管由于其特殊的晶圓結(jié)構(gòu)，為銀遷移的發(fā)生提供了有利的條件。本文通過(guò)闡述失效肖特基二極管的微觀分析過(guò)程，并討論了失效機(jī)理和失效路徑，提供了肖特基二極管平面結(jié)構(gòu)工藝的典型銀遷移現(xiàn)象，證實(shí)了含銀焊料對(duì)平面結(jié)構(gòu)肖特基二極管銀遷移的形成有一定的風(fēng)險(xiǎn)，提出該類(lèi)器件不適用于惡劣環(huán)境條件的觀點(diǎn)，同時(shí)提供了抗離子遷移的建議和措施。該案例為分析和預(yù)防肖特基二極管的銀遷移失效提供了參考。