肖特基二極管高溫反向偏置失效分析與改善

胡 敏，彭俊睿

（樂山無線電股份有限公司，四川樂山 614000）

1 引言

塑料封裝因其低成本、制造效率高的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件封裝。塑封后的封裝材料、框架對芯片的保護能力，是衡量塑封材料特性及其工藝優(yōu)劣的重要標準。目前論述塑料封裝分層情況的相關(guān)文獻較多，馬清桃等[4]對掃描聲學(xué)層析成像方法及標準進行了討論，李進等[5]認為框架鍍銀、鎖膠結(jié)構(gòu)和塑料封裝料特性是分層關(guān)鍵。梁志宗等[7-8]和陽小芮等[9]對框架的獨特設(shè)計以預(yù)防塑料封裝分層。但對于分層導(dǎo)致器件失效、器件失效后可恢復(fù)現(xiàn)象及原理分析，卻鮮見相關(guān)文獻。類似的高壓肖特基二極管在高溫反偏（High Temperature Reverse Bias，HTRB）試驗后失效可恢復(fù)的現(xiàn)象比較常見。本文通過分析失效品和好品的封裝差異，失效試驗和未失效試驗，如溫度循環(huán)的差異，分析了可靠性失效的可能原因，同時對塑料封裝設(shè)計要點及如何避免出現(xiàn)封裝氣密性問題做了系統(tǒng)性總結(jié)。

2 研究背景

半導(dǎo)體器件封裝主要分為氣密封裝和非氣密封裝[1]，氣密封裝指在無限時間里都能防止污染物（液態(tài)、固態(tài)或氣體）的侵入。金屬封裝、陶瓷封裝屬于氣密封裝。本文重點討論的是廣泛用于業(yè)界的非氣密塑料封裝。

塑料封裝的優(yōu)點是工藝成熟、成本低、大規(guī)模制造效率高；缺點是非氣密性，最終都會使水汽或其他污染物滲透到封裝里面，污染并影響半導(dǎo)體芯片，從而改變芯片的邏輯功能，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

圖1所示是塑料封裝后的SOT23高壓肖特基二極管，內(nèi)含2個50 V以上的肖特基二極管。

圖1 SOT23封裝的高壓肖特基二極管

電子器件工程聯(lián)合委員會（JEDEC）[2]根據(jù)器件在不同溫濕度環(huán)境下的耐受能力將SOT23這類表面貼裝器件的濕氣敏感度分為6個等級，SOT23封裝在設(shè)計上按照JEDEC1級標準，并通過1級測試。常溫存放沒有時間限制，85℃溫度、85%濕度下，可耐受168 h以上，并能通過掃描聲學(xué)層析成像（Scanning Acoustical Tomography，SAT）無分層測試。

3 高壓肖特基HTRB失效

圖1所示的肖特基二極管在HTRB可靠性試驗后，2-3腳二極管正常，一半以上的1-3腳二極管失效，失效參數(shù)為50 V反向偏置下漏電流，數(shù)據(jù)分布在5～3500 nA，平均值800 nA，中位數(shù)640 nA，正常品是10 nA，規(guī)范是小于100 nA。失效產(chǎn)品150℃烘烤可以恢復(fù)正常，或者不烘烤直接化學(xué)開蓋也可恢復(fù)正常。

失效現(xiàn)象可歸納為4個問題：（1）為什么1-3腳芯片失效，烘烤或化學(xué)開蓋后電特性又能恢復(fù)？（2）為什么是HTRB失效，而其他可靠性試驗如溫度循環(huán)后沒有失效？（3）HTRB后為什么是50 V的肖特基二極管失效，而30 V的沒有失效？（4）為什么2-3腳的芯片沒有失效？

4 失效分析

分析主要從尋找失效品和好品之間的差異著手，如1-3腳芯片和2-3腳芯片差異、HTRB和溫度循環(huán)的差異等。

4.1 氣密性分析

檢測塑料封裝氣密性的通常方法是用SAT，其原理是用聲波對器件進行掃描，聲波在不同介質(zhì)之間傳輸，其波形發(fā)生變化。通過波形，判斷器件內(nèi)部是否有空洞、分層等現(xiàn)象。對失效的肖特基二極管進行掃描聲學(xué)層析成像，沒有發(fā)現(xiàn)1-3和2-3腳二極管的差異。進一步檢測測試設(shè)備和可靠性試驗偏壓施加條件，也沒有看到1-3和2-3腳的差異。

SAT的分辨率在微米級別，納米級別的分層可能不能被探測到。對失效品和好品側(cè)面研磨，用電子掃描顯微鏡觀察，終于發(fā)現(xiàn)1-3腳和2-3腳的差別。

圖2是對失效品1-3腳二極管的側(cè)面研磨后的電子掃描顯微鏡圖片，DEF指芯片表面，焊盤金屬，即二極管的正極在E點附近。D中間上升的一個臺階（箭頭指向處）是二極管鈍化絕緣層，D的最左邊是和芯片底部及側(cè)面相連的二極管負極。圖片顯示D、E部分有分層，那二極管正極（E附近）和負極（D左側(cè)）形成了空氣連通。

圖2 失效品1-3腳二極管側(cè)面研磨

對失效品2-3腳及好品1-3腳做類似側(cè)面研磨，沒有發(fā)現(xiàn)芯片表面與塑封料之間有分層。這就解釋了為什么只有1-3腳二極管失效，2-3腳沒有失效，失效與分層有相關(guān)性。

失效品1-3腳和2-3腳的差別是，1-3腳芯片表面有貫穿二極管正負極的分層。分層間隙為60 nm左右（如圖3所示）。

圖3 失效品1-3腳二極管的D處間隙

4.2 離子污染

1-3腳失效肖特基二極管的芯片表面有貫穿二極管正負極的分層，導(dǎo)致其測試反向漏電流從正常的10 nA到600 nA。因為HTRB試驗是在沒有潮氣的條件下進行的，因此不能用潮氣導(dǎo)致其失效來解釋。查閱資料后判斷此失效可能是離子污染所致。

NICHOLAS和CLARENCE研究器件在HTRB后的失效時[3]發(fā)現(xiàn)，留在芯片表面的離子最初均勻分布，呈中性狀態(tài)。當HTRB提供反向偏置電壓作用在PN結(jié)上時，芯片表面電荷會根據(jù)現(xiàn)有電場重新分布，形成正電荷和負電荷過多的區(qū)域（見圖4）。反向電壓越大，正負電荷分布越集中。拿掉PN結(jié)反向偏置電壓后，表面離子的重新分布使底層材料的離子分布發(fā)生反轉(zhuǎn)，在表面鈍化層（如SiO2）下，P-N結(jié)方向形成負-正電荷通道（見圖5）。當測試反偏50 V時漏電流，P方向的負電荷就流向N方向，形成電流通道，這就是600 nA的漏電流失效。通常這種漏流會在烘烤或化學(xué)開蓋后恢復(fù)。如果重新施加HTRB試驗，這種失效又會重現(xiàn)。

圖4 HTRB時反向偏置電壓施加于PN結(jié)之間

圖5 HTRB后拿掉PN結(jié)間反向偏置電壓

5 分析與討論

5.1 器件失效封裝原因分析

回顧之前提出的4個問題，分別得到如下解釋。

（1）1-3腳芯片HTRB后測試失效，烘烤或化學(xué)開蓋后電性又恢復(fù)，這是因為1-3腳的芯片表面有貫穿二極管正負極的分層，60 nm左右的間隙讓P-N極和之間的鈍化層上的離子容易在HTRB時聚集，最終導(dǎo)致失效。烘烤時高能離子會在高溫下移動，加速了反偏時聚集離子的中和消耗，電場逐漸趨于平衡，形成的溝道消失，漏流恢復(fù)正常。

（2）溫度循環(huán)等其他可靠性試驗沒有對器件施加反向偏壓，是非帶電的環(huán)境測試，故沒有這樣的離子聚集導(dǎo)致的失效，因此只有HTRB失效。

（3）HTRB后50 V的肖特基失效，30 V的肖特基沒有失效，是因為反向偏壓越高，離子聚集現(xiàn)象越嚴重，失效的現(xiàn)象越明顯。

（4）2-3腳的芯片HTRB后測試沒有失效，是因為2-3腳芯片表面沒有分層，阻礙離子聚集現(xiàn)象。

HTRB試驗，在PN結(jié)施加反向電壓的同時，讓PN結(jié)處于150℃結(jié)溫。PN附近芯片表面長時間處于高溫下，讓硅和環(huán)氧樹脂膨脹。硅和環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)分別為3×10-6/℃和16×10-6/℃（小于材料玻璃化溫度）、60×10-6/℃（大于材料玻璃化溫度），所用的環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度是158℃。意味著環(huán)氧樹脂的膨脹系數(shù)是硅的5～20倍。這容易導(dǎo)致芯片表面和塑封料分層。

5.2 器件失效芯片原因分析

某些沒有鈍化層的芯片，或因工藝原因生成的鈍化層不致密，也會導(dǎo)致形成PN結(jié)之外的漏電通道。有另外一個案例，鈍化層工藝從熱氧改成正硅酸乙酯（TEOS），解決了類似的問題。

6 解決方案及從設(shè)計上預(yù)防氣密性失效

讓芯片更加強健，可避免HTRB這類的失效。方法包括增加焊盤周圍的鈍化層、讓鈍化層更致密、使用聚酰亞胺（Polyimide）等。

封裝方面，讓封裝更加強健，針對本案例，選擇膨脹系數(shù)好的B塑封料，該塑封料玻璃化溫度為175℃，膨脹系數(shù)分別為16×10-6/℃（小于材料玻璃化溫度）、56×10-6/℃（大于材料玻璃化溫度）。在150℃附近的膨脹系數(shù)明顯小于目前塑料封裝材料。同時該塑封料內(nèi)含離子捕逐劑。用B塑封料封裝肖特基二極管，再次做HTRB可靠性，全部通過，沒有失效。

避免塑料封裝材料應(yīng)用過程中氣密性失效，最好的方法是在新封裝設(shè)計過程中，從材料選擇、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度綜合考慮。

6.1 材料選用

選用參數(shù)優(yōu)異（如低應(yīng)力、低吸濕性、合適粘接性等）的塑封料可以對分層起到關(guān)鍵作用，芯片表面的鈍化層可以有效地隔絕濕氣。

環(huán)氧塑封料、金屬引線框架及芯片間的線性膨脹系數(shù)匹配也十分重要，由于不匹配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會對產(chǎn)品的氣密性造成影響。通常環(huán)氧塑封料的線性膨脹系數(shù)比金屬引線框架及芯片的系數(shù)大，在溫差較大的環(huán)境下容易出現(xiàn)包封層與金屬引線框架或芯片粘接面脫離，導(dǎo)致器件氣密性失效。由此可見，塑封料的線性膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能的低，但這個降低是受到限制的，因為在降低應(yīng)力的同時，塑封料的熱導(dǎo)率也隨之降低，這對于封裝大功率器件十分不利，要使這兩個方面得以兼顧，取決于配方中填料的類型和用量[6]。

6.2 框架設(shè)計

框架設(shè)計時可考慮利用鎖孔、粗糙面、凹槽等方式對環(huán)氧樹脂塑封料分層問題進行改善。

金屬引線框架上貫通的鎖孔可以有效降低金屬引線框架與環(huán)氧樹脂塑封料之間在垂直方向上的應(yīng)力，從而使二者在垂直方向上鎖緊（如圖6所示）不易出現(xiàn)脫離的情況，使產(chǎn)品的氣密性得到了進一步的保證。鎖孔一般可通過機械沖壓或蝕刻方式來實現(xiàn)[7]。

圖6 制作鎖孔前后金屬引線框架與環(huán)氧樹脂塑封料間結(jié)合面的受力對比

通過對金屬引線框架表面進行微刻蝕處理來增加框架與塑封料間的結(jié)合面積，提高塑封料與框架結(jié)合面的粘接強度，同時還可以有效減少因拉力等因素造成的金屬引線框架與塑封料之間的滑動（如圖7所示），有效保證產(chǎn)品的氣密性[8]。

圖7 制作粗糙面前后金屬引線框架與環(huán)氧樹脂塑封料間結(jié)合面的受力對比

在鎖膜區(qū)設(shè)置凹槽，增大了引線框架表面與模膠的鎖膜接觸面積，且所述凹槽形成閉合結(jié)構(gòu)，該閉合結(jié)構(gòu)以爪型“抓住”所述模膠，進一步增強了后續(xù)封裝中凹槽對模膠的抓力，加強模膠與引線框架的結(jié)合強度，提高鎖模區(qū)的鎖膜強度，解決分層的問題，提高可靠性[9]。凹槽可以采用V型、矩形及燕尾型等多種形式（如圖8所示）。

圖8 V型、矩形及燕尾型凹槽示意圖

將幾種方式合理的結(jié)合使用有利于提高器件的抗應(yīng)變能力，有效改善產(chǎn)品的氣密性，使產(chǎn)品的功能參數(shù)及可靠性都得到了很好的保證。

7 結(jié)論

肖特基二極管高溫反向偏置失效原因可能來自芯片和塑料封裝材料匹配問題，在芯片無法改善的情況下，改善塑封材料的氣密性可解決此問題。本文系統(tǒng)地研究了塑料封裝氣密性問題，得出以下結(jié)論。

（1）確定塑料封裝器件內(nèi)部是否有空洞、分層等氣密性問題，是通過預(yù)處理后對器件進行SAT分析，但SAT分辨率有限，可用側(cè)面研磨和電子掃描顯微鏡來彌補。

（2）塑料封裝材料的選擇，要考慮其物理特性，包括熱膨脹系數(shù)和玻璃化溫度，盡量減少材料之間的膨脹系數(shù)差異，同時平衡塑封料的熱導(dǎo)率。

（3）離子污染導(dǎo)致的失效，可能來自芯片設(shè)計不夠強健，如表面鈍化處理，也可能來自封裝氣密設(shè)計不夠強健。

（4）強健的塑料封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以讓塑料封裝材料更好地保護芯片?？蚣艿慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的配合是決定封裝氣密性的關(guān)鍵?？蚣茉O(shè)計時可考慮利用鎖孔、粗糙面、凹槽等方式對塑料封裝材料分層問題進行改善。