功率MOSFET的封装失效分析

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1、Electronic Component &Device ApplicationsVol.10 No.1Jan. 2008第 10 卷 第 1 期2008 年 1 月2008.1 0 引言与传统的双极型晶体管相比 , 在实现同样功能的电子线路时 , 使用 MOSFET 的电路则更加简单 , 外围器件的数量大大减少 , 成本降低 , 体积也会大大缩小。另一方面 , MOSFET 是电压控制器件 , 其输入电阻特别高 , 控制电流非常小 , 因而能够大大降低产品功耗 , 节约能源。目前 , 功率 MOSFET 已广泛应用于电脑、精密控制、开关电源和各种电力电子产品中。但是 , 由于芯片结构上的差异

2、 , 功率 MOSFET 的后道封装比普通晶体管具有一定的难度 , 而且产品质量容易产生波动 , 生产过程的控制要求也更高。为此 , 本文就TO- 220 封装的功率 MOSFET 产品在装配测试中出现的失效模式进行了初步的分析 , 探讨了造成产品失效的主要因素。1 产品失效模式表 1 给出了一种 75A 产品的测试结果。从表 1可以看出 , 造成该批产品成品率较低的主要不良项目为热学参数 VDS偏高和 EAS ( 单脉冲能量雪崩 ) 测试短路。2 失效分析2.1 VDS不良 VDS是一定偏置条件下 VDS的变化值 , 是考核产品在应用过程中散热能力的重要指标。在测试上 , 主要用来考核产品装

3、配过程中芯片和载芯片 ( 框架 ) 之间的结合情况。而在产品结构上 ,通常是采用软焊料作为芯片粘合的介质 , 图 1 所示是芯片装配结构图。假设不考虑芯片本身与框架因素的影响 , VDS的大小取决于装配后的焊料层状况 , 主要体现在以下三个方面 :(1) 芯片与焊料之间的接触 ;(2) 焊料层的导热状况 ;(3) 焊料层与框架之间的接触。从不良品的解剖结果来看 , 芯片与焊料、焊料层与框架之间的润湿、粘合都没有问题 , 所以 , 可以不考虑它们对 VDS的影响。而使用 X-RAY 设备对不良品进行检查发现 , 焊料层中存在有较大空洞。为确定空洞对 VDS的影响 , 笔者对不良品和合格品的空洞与

4、 VDS之间的关系进行了比较。其结果如图 2 所示。从图 2 可以看出 , 整体空洞和单个空洞的大小对 VDS都有明显的影响。当整体空洞或最大单收稿日期 : 2007- 11- 02功率 MOSFET 的封装失效分析唐穗生( 汕头华汕电子器件有限公司 , 广东 汕头 515041)摘 要 : 在半导体器件的生产工艺过程中 , MOSFET 器件的芯片结构不同于普通晶体管 , 而且 , MOSFET 器件对后道装配的要求也较高 , 文中从生产实际出发 , 对功率 MOSFET 器件在测试中出现的不良品进行了分析 , 并对其失效机理和影响因素进行了探讨 , 最后提出了相应的改进措施。关键词 : M

5、OSFET ; 封装 ; 失效机理表 1 75A 产品的测试结果测试入数良品出数成品率主要不良项目 V DS - High 比例 EAS Short 比例9579 8533 89.08% 539 5.63% 417 4.35%图 1 芯片装配结构78V o l . 1 0 N o . 1J a n . 2 0 0 8第 1 0 卷 第 1 期2 0 0 8 年 1 月w w w . e c d a . c n 2 0 0 8 . 1个 空 洞 小 到 某 一 程 度 ( 如 6 % 或 3 . 5 % ) 时 , VD S都能 保 持 较 低 的 水 平 ( 如 小 于 2 0 0 m V )

6、 ; 而 当 整 体 空洞 或 最 大 单 个 空 洞 太 大 时 , VD S的 状 况 就 不 稳定 , 因 而 不 能 保 证 其 符 合 某 一 测 试 要 求 。事 实 上 , 空 气 的 导 热 性 能 远 不 如 金 属 和 合 金焊 料 。 当 焊 料 中 存 在 空 洞 时 , 芯 片 与 框 架 的 接 触面 积 和 散 热 情 况 将 受 到 影 响 , 从 而 导 致 芯 片 局 部温 度 升 高 , 此 后 P N 结 的 结 温 也 同 时 升 高 。 由 于 材料 的 最 高 结 温 是 一 定 的 ( 如 硅 材 料 的 最 高 结 温Tj m= 6 4 0 0

7、 / ( 1 0 . 4 5 + l n ) ) , 而 P N 结 的 正 向 电 流 与 温 度成 正 比 关 系 1 2 :I e ( E g - q V ) / k T。因 此 , 当 结 温 升 高 时 , 其 结 电 流 就 会 进 一 步加 大 , 从 而 将 造 成 恶 性 循 环 使 结 温 超 过 最 高 限 制值 而 烧 毁 芯 片 。 因 此 , 合 理 控 制 装 配 过 程 中 的 焊料 空 洞 , 就 能 提 高 芯 片 的 散 热 性 能 , 从 而 使 器 件的 温 升 降 低 , 工 作 性 能 更 有 保 障 。造 成 空 洞 偏 大 的 主 要 原 因

8、是 芯 片 背 材 质 量 、焊 料 成 分 、 粘 接 温 度 、 气 体 保 护 和 焊 料 粘 污 等 。此 外 , 生 产 上 还 应 保 证 芯 片 的 储 存 环 境 , 避免 背 材 氧 化 , 尽 量 缩 短 芯 片 的 存 放 周 期 。 装 配 上应 选 择 润 湿 性 较 好 的 软 焊 料 。 设 备 加 热 区 的 温 控调 整 能 力 应 比 较 强 , 稳 定 性 要 好 , 并 应 有 足 够 的气 体 保 护 氛 围 , 避 免 焊 料 氧 化 和 表 面 粘 污 。2 . 2 E A S 不 良E A S 测 试 是 通 过 施 加 一 单 脉 冲 能 量

9、来 考 核M O S F E T 产 品 的 承 受 能 力 , 用 以 剔 除 芯 片 本 身 存在 的 潜 在 缺 陷 或 装 配 过 程 中 造 成 轻 微 损 伤 的 不 良品 , 从 而 使 产 品 在 使 用 前 得 到 有 效 的 筛 选 , 能 够更 可 靠 的 工 作 。E A S 测 试 的 不 良 品 通 常 表 现 为 栅 极 漏 电 流 I S -G S 超 标 或 短 路 。 由 于 栅 氧 化 层 很 薄 , 因 而 很 容 易受 到 杂 质 沾 污 、 晶 格 缺 陷 或 轻 微 损 伤 的 影 响 。 从解 剖 结 果 看 , 主 要 包 括 图 3 所 示

10、的 三 种 现 象 。第 一 种 情 况 是 芯 片 表 面 存 在 一 明 显 的 烧 穿 斑点 , 位 于 源 极 区 内 , 焊 线 装 配 状 况 正 常 , 芯 片 边沿 没 有 其 它 损 伤 迹 象 。 由 此 推 断 , 烧 穿 斑 点 来 自芯 片 源 极 上 的 相 应 小 单 元 , 因 结 构 上 存 在 某 一 缺陷 而 在 大 电 流 冲 击 下 被 烧 坏 。 如 图 3 ( a ) 。图 3 ( b ) 中 的 芯 片 源 极 区 内 也 存 在 一 烧 穿 斑点 , 但 位 于 源 极 焊 球 附 近 , 芯 片 表 面 其 它 状 况 正名 企 产 品 推

11、介7 9E l e c t r o n i c C o m p o n e n t & D e v i c e A p p l i c a t i o n sV o l . 1 0 N o . 1J a n . 2 0 0 8第 1 0 卷 第 1 期2 0 0 8 年 1 月2 0 0 8 . 1 w w w . e c d a . c n若 客 户 端 因 特 殊 原 因 没 有 完 成 第 三 步 , 那么 , 服 务 器 在 发 出 S Y N + A C K 应 答 报 文 后 , 将 无法 收 到 客 户 端 的 A C K 报 文 , 此 时 服 务 器 端 一 般 会重 试 (

12、 再 次 发 送 S Y N + A C K 给 客 户 端 ) , 并 等 待 一段 时 间 后 丢 弃 这 个 未 完 成 的 连 接 。当 有 恶 意 攻 击 者 大 量 模 拟 这 种 情 况 时 , 服 务器 端 将 为 了 维 护 一 个 大 量 半 连 接 的 列 表 而 消 耗 庞大 的 C P U 时 间 和 内 存 资 源 , 从 而 使 服 务 器 忙 于 处理 攻 击 者 伪 造 的 T C P 连 接 请 求 而 没 时 间 响 应 客 户的 正 常 请 求 , 最 后 使 堆 栈 溢 出 崩 溃 , 而 对 正 常 客户 的 T C P 连 接 无 法 响 应 。地

13、 域 通 信 网 系 统 为 了 提 高 自 身 的 安 全 性 , 往往 采 用 各 种 加 密 手 段 进 行 加 密 以 防 止 入 侵 。 但 并不 是 说 它 就 坚 不 可 摧 , 要 通 过 系 统 自 身 存 在 的 缺陷 寻 找 地 域 通 信 网 中 系 统 控 制 中 心 和 节 点 中 心 的计 算 机 , 并 对 其 进 行 D D o S 攻 击 , 就 能 使 被 攻 击主 机 上 有 大 量 等 待 的 T C P 连 接 ; 从 而 使 网 络 中 充斥 大 量 的 无 用 数 据 包 , 并 使 源 地 址 为 假 ; 制 造 高流 量 无 用 数 据 就

14、能 造 成 网 络 拥 塞 , 以 使 受 害 主 机无 法 正 常 和 外 界 通 信 ; 而 利 用 受 害 主 机 提 供 的 服务 或 传 输 协 议 上 的 缺 陷 , 反 复 高 速 的 发 出 特 定 的服 务 请 求 , 则 可 使 受 害 主 机 无 法 及 时 处 理 所 有 正常 请 求 , 甚 至 会 让 系 统 崩 溃 , 从 而 使 网 络 通 信 中断 , 造 成 网 络 瘫 痪 。4 结 束 语本 文 介 绍 了 地 域 通 信 网 的 概 况 , 并 在 此 基 础上 分 析 了 D D o S 攻 击 的 原 理 及 方 法 。 地 域 通 信 网可 为 部

15、 队 提 供 多 手 段 、 多 层 次 、 可 靠 及 时 、 操 作方 便 和 安 全 的 通 信 联 络 , 从 而 充 分 发 挥 战 场 诸 兵种 合 成 作 战 能 力 及 各 种 武 器 效 能 , 并 最 终 影 响 战争 的 胜 负 。 事 实 上 , 要 在 高 科 技 条 件 下 的 局 部 军事 斗 争 中 取 得 制 信 息 权 、 制 电 子 权 的 绝 对 优 势 ,就 应 采 取 相 应 的 网 络 对 抗 方 法 对 地 域 通 信 系 统 进行 干 扰 、 破 坏 , 同 时 还 应 保 障 自 身 通 信 的 通 畅 。常 。 通 过 其 它 辅 助 测

16、试 , 这 种 烧 穿 斑 点 与 源 极 焊球 边 缘 密 切 相 关 。 因 此 怀 疑 , 烧 穿 斑 点 应 与 焊 接过 程 对 栅 极 氧 化 层 的 损 伤 有 关 , 它 主 要 来 自 线 材及 焊 头 的 毛 刺 以 及 固 体 颗 粒 粘 污 等 。第 三 种 情 况 是 芯 片 表 面 及 焊 线 装 配 状 况 均 正常 , 在 普 通 显 微 镜 下 没 有 发 现 可 疑 点 。 一 般 认为 , 这 种 不 良 是 由 于 芯 片 内 部 单 元 的 轻 微 缺 陷 或静 电 损 伤 引 起 , 使 测 试 中 漏 电 偏 高 , 而 被 判 为 短路 的 , 如 图 3 ( c ) 。装 配 造 成 的 焊 接 损 伤 可 通 过 参 数 的 调 整 , 工具 的 监 控 等 手 段 来 加 以 保 护 。 而 为 避 免 静 电 因 素引 起 的 损 伤 , 在 生 产 过 程 中 , 则 应 从 环 境 到 设备 、 操 作 等 各 个 流 通