《MOSFET导通电阻偏高因素的测试分析和解决途径的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MOSFET导通电阻偏高因素的测试分析和解决途径的研究（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、复旦大学硕士学位论文MOSFET导通电阻偏高因素的测试分析和解决途径的研究姓名：周忠申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：包宗明20070430摘要鲅新的半导体技术已经将M O S F E T 的性能提升到一个很商的水平，目前封装技术已经成为遮求更裹M O S F E T 效黢的限刳因素。掘健计，一个传统封装的场效应M O S 管黪总通态电阻由三个部分组成：封装占4 0 ，硅电路和基座备占3 0 。在一魑最新的产品中，离达一半的M O S F E T 导通电阻怒因为导线架与罨线接合所产生的封装电阻惹造成。所以，不仅需蜜优化硅芯片参数，还要优化封装参数，以提高过程能力指数。从公司统计的
2、2 0 0 5 年测试良率数据分析，我们发现，导通电阻测试不良怒造成测试批低良率的关键阂素。在共1 8 9 2 0 个批次中，脊3 1 6 个低良率批次，其中1 3 9 个批次的主要缺陷怒导通电阻不良。为了减少封装对导通电阻的影响，本论文通过对封装瀛程的逐步分析，挖掘出流程中对静通电阻的影响阂素，掇出解决此问题的途径，并在生产实际中不断探索、试验，最终显著降低了由于导通电阻不舍格而引起的良率损失。本论文酌暴体研究内容包括下剜部分：夺论述了圆片背面s i 层厚度( 针对背面非会属化圆片) ，主要是列S u b s t r a t er e s i s t a n c e ( 衬赢电阻) 的影响，
3、及8 r a i l 背面减薄之关键工艺技术。夺分析了不同D A 材料对导通电阻的影响：夺分拆了D A 稍程中静缺陷 1 0残留硅 5 0 10 2完好很难撕下3 0 09 5硅断面0 3完好很难撕F3 0 0 1 0崭：断面0 1完好很难撕下3 0 0 1 0硅断面20 2完好很难撕下3 0 0 1 0残尉6 t - ： 5 0 0 3完好很难撕下3 0 09 8硅断面0 1完好很难撕下3 0 08 6残留硅 5 0 M i n30 2完好很难撕下3 0 09 5硅断I 面0 3完好很难撕下3 0 0 1 0砬断面上述会属化工艺，影响工艺的环节较多，最初的实验结果并不理想，出现背面会属脱落和
4、剪切力不够等问题：通过对各工艺步骤及细节的全面分析，最终解决了背面会属脱落问题，并使芯片剪切力大于85k g ，远大于5k g 的考核要求。3 2 4 上片工艺中的预防对策：下图2 4 是典型的上片工艺示意图。V A C U U h I图2 4 上片示意图在上片生产中，经过我们的分析，可以从以下几个方面防止背面金属发生脱落：在U V 照射时，必须控制好照射的温度和时间，避免芯片与背面的膜的粘附性过大，以致于上片时，芯片背面金属层粘附于膜上而发生剥离：夺优化上片工艺参数，针对不同的芯片，选择合适的顶针( 目e c tP i n ) 的高度、力度及速度参数：更为关键的是，选择适合的顶针，其顶部的锥
5、度不能过大，也不能过小，过大不能方便地给芯片一个脱离膜的力而易发生会属剥离：过小容易刺穿膜而损伤芯片。3 3提高芯片表面质量及虚焊线的措旌针对键合时芯片表面质量及虚焊对导通电阻的影响，我们逐一对其进行分析并解决之。3 3 1 引线张力对焊线质量的影响及对策方案M O S 管键合机理如下图2 5 所示。图2 5 M O S 管键合机理图芯片焊挚与焊线需有合会化过程以形成良好的接触，但过渡的合金化过程会导致会属中日J 化合物的形成。引起键合失效。键合引线的张力也是引起键合失效的重要参数之一。引线张力过大通常会引起键合处的断裂或丌裂，如图2 6 为键合失效样品的芯片正面照片。图2 6 键合失效样品的
6、芯片J 下面图片针对键合张力过大的问题，可以通过D O E ( 实验设计) 等手法优化机台参数，并及时通过拉力测试( W i r eP u l l ) 及弧高测量( L o o pH e i g h t ) 验证机台的稳定性以保证键合的质量。3 3 2 芯片J 下面铝金属膜质量对A V B E 参数的影响及对策方案：针对上一节2 4 分析中1 号样芯片铝膜的发黄，经过我们细致的推理分析，原因如3 0夺由于电子束蒸发过程中真空度不够或铝源污染，引起铝膜表面氧化；夺由于在合会过程中气氛不合理，合会温度过高，引起铝膜氧化，造成后道压焊困难，极易产生虚焊现象。这种芯片加工成M O S 管后，管正向压降
7、V B E 参数大，曲线有抖动现象，在高温下压焊点脱落，M O S 管工作时通时断。针对2 号样芯片铝与硅之间氧化膜过厚的问题，为了防止这种情况的出现，我们认为在电子束蒸发工艺中，应该从两个步骤上解决之：线：夺首先在蒸铝前的硅片清洗过程中保证接触窗口内硅表面处的氧化物彻底被清除；其次在保持其它工艺条件不变的情况下，提高电子束流、增加蒸发铝原子的速度和轰击量，以增加对自然氧化膜的减薄效果。综上所述我们在以后的键合生产中，可以从以下几个方面着手以预防焊线虚焊或者断a ) 优化机台工艺参数，监控引线拉力测试，以避免引线张力过大，要根掘芯片的材料、引线的直径大小、机台的性能综合情况进行调整，在实践中有
8、针对性地积累数据，才能得到理想的焊接效果；b ) 保证无尘室的洁净度，及减少芯片裸露在空气中的时间，最大限度地避免芯片表面的被污染；芯片的保存应引起足够的童视，不仅要关注环境的温湿度，还应考虑到其将来的可焊性，对于长期不用的芯片应放置在氮气柜中保存；C 1 在上片及键合工艺中保护气体N 2 必须保证足够的流量，最好加入部分H2 进行还原，避免合金化过程中的高温使铝层表面发生氧化。3 4 优化封装材料、框架材料及封装工艺消除分层的影响分层对器件的导通电阻和可靠性的影响是显而易见的，是必须要解决的一种主要缺陷。我们通过具体的分析，认为材料的选择对造成分层的原因是很重要的，具体为对导线框架和封装树脂
9、的选择。3 4 1 对封装树脂与分层的关系进行深讨。经分析表明，降低封装树脂的应力、改善封装树脂的吸湿性和提高封装树脂的粘接力是改善内部分层现象的有效方法。电子封装不仅要求封装材料具有优良的电性能、热性能以及机械性能外，还要求具有很高的可靠性和低成本，这也是封装树脂成为现代电子封装主流材料的主要原因，约占整个封装材料市场的9 5 以上。但是由于树脂封装是非气密性封装，对外界环境的耐受能力不是很强，特别是对湿气的侵入，所以在电子封装中往往会出现一些可靠性问题，特别3 1是分层现缘。下面就封装树脂、分层以及封装树脂与分层的关系进行分析和探讨。封装树脂是一种多组分的高分子复合材料，其中包括多种有机成
10、分和无机成分。封装树脂的基本组分以及各组分的作用见表8 。表8 封装树脂的基本成分及作用封装树脂的基本成分及作用 组分( 比例)主要作用环氧树月R ( 5 一2 0 )基体树脂，聚合，粘结聚合物固化荆( 3 一1 0 )交联反应偶联剂( 1 )无机物和仃机物的桥梁催化剂吲化促进剂( 1 )加快交联反应速度填充荆填料( 7 0 一9 2 )提岛物理f E 能，降低膨胀系数、吸水率脱模剂( 2 )提高脱模性能、改善流动性阻燃剂( 3 )提高材料的哪l 燃性能着色f i I J ( 0 5 )染色添加剂 离子捕捉f i l J ( 1 1降低流离的C r 等杂质含量应力吸收剂( 2 )降低材料的膨胀
11、应力、角应力粘结剂( 0 5 )提商材料与其他金属表面的粘结性在内部分层产生的原因中，一般认为封装树脂的特性是导致内部分层的主要原因，研究表明，封装树脂的应力、封装树脂的吸湿性和封装树脂的粘接性是封装树脂对分层影响的三大因素。下面分别就如何降低封装树脂的应力、改善封装树脂的吸湿性以及提高封装树脂的粘接性进行阐述。3 4 1 1 降低封装树脂的应力出于构成集成电路的材料很多，包括芯片、引线框架、会丝、载片、导电胶等，它们与封装树脂的热膨胀系数相差很大，在环境温度变化时，因它们热膨胀系数的差异而使器件内部产生应力，应力的产生会引起器件分层、器件翘曲、表面钝化膜丌裂等不良现象。封装树脂的应力计算公式
12、为：a = k ll a l E d T + 七2l a 2 E d T其中K I 、K 2 是常数，a l 、a 2 是封装树脂的热膨胀系数，E 是封装树脂的弹性模量，d T 是温度变化，从公式可以看出，影响封装树脂的应力因素有：封装树脂的热膨胀系数、封装树脂的弹性模量和封装树脂的玻璃化温度，但是降低封装树脂的玻璃化温度会降低材料的机械性能，所以降低封装树脂的热膨胀系数和弹性模量是降低封装树脂应力的有效方法。3 2( 1 ) 加大封装树脂填充材料的含量，可以降低热膨胀系数。填料不仅能够起增加导热、支撑和降低成本的作用，而且还能降低封装树脂的热膨胀系数。目前所使用的填充材料主要是二氧化硅，其热
13、膨胀系数为6 1 0 7 一l ，而环氧树脂的热膨胀系数大约是6 1 0 一5 一l ，两者相差1 0 0 倍。所以要降低封装树脂的热膨胀系数，必须加大填充材料的含量( 见表9 ) 。虽然增加填料含量能够降低热膨胀系数和提高强度，但是同时也会降低封装树脂的流动性和增加封装树脂的模量，所以在加大填充材料含量时要综合考虑，结晶型二氧化硅具有高导热高膨胀特性，而熔融型球型二氧化硅具有低导热低膨胀特性，所以使用熔融型球型二氧化硅能够得到更低热膨胀系数的封装树脂。同时球形填料比角形填料有更高的填充性，所以使用球形填料能够得到更高填充含量的封装树脂，并且球形填料因形状比较规则还可以缓和角形填料尖端所造成的
14、应力集中，减小封装树脂对模具的磨损等。表9 填料含量对封装树脂热膨胀系数和分层的影响填料含量对封装树脂热膨胀系数和分层的影响热膨胀系数 封装树脂中填料含量分层情况a Ia27 6 2 26 4较多8 5 1 43 2较少8 8 l O2 1很少( 2 ) 添加应力吸收剂，可以有效降低封装树脂的弹性模星。使用一种添加剂既可以降低热应力，又可以有效降低封装树脂的弹性模量，所以也称为应力吸收刺。目前所使用的应力吸收剂主要是一种硅油或硅橡胶，它可以有效降低这种热应力和封装树脂的弹性模量，另外，使用角形填料也会使应力集中，而形成一种角应力，所以球形填料比角形填料有更低的应力表现，使用应力吸收剂也会有效地
15、降低这种角应力。应力吸收剂对封装树脂的应力和器件分层的影响情况列于表1 0 。表l O 应力吸收对封装树脂的应力和分层的影响应力吸收对封装树脂的应力和分层的影响封装树脂中应力吸收剂含量应力分层情况一无局较多1 5 较低较少3 0 低少总之，降低封装树脂的热膨胀系数和弹性模量，可以有效降低封装树脂内部应力从而改善因应力而产生的器件分层现象。3 33 4 1 2 改善封装树脂的吸湿性封装树脂足一种多组分的高分子材料，其中的环氧树脂的分子| 日J 距为5 0 2 0 0 n m ，这种削距足够可以让水分子渗透进去，树脂封装是一种非气密性的封装，水分可以不同程度地进入器件内部，进入器件内部的途径主要是
16、封装树脂本身的渗透和封装树脂与引线框架界面之间的侵入，在器件内部中，水分会因环境温度升高而产生蒸汽压，当这种蒸汽压力大于封装树脂、芯片、框架、载片等表面之白J 的粘接力时，就会形成器件分层现象。改善这种封装树脂的吸湿性能，主要有以下几种方法：( 1 ) 选择低l 吸湿的环氧树脂。环氧树脂的种类不同，它的吸湿率也往往不同，一般来说，玻璃化温度低的环氧树脂具有较低的吸湿率，但是低玻璃化温度又会带来其他的不良问题，所以选择低吸湿率而玻璃化温度又相对较高的环氧树脂很关键。( 2 ) 加大封装树脂的填料含量。在封装树脂中，环氧树脂是主要的吸湿物质，而填料二氧化硅的吸湿率很低，一般认为没有吸湿率为0 。所以适当加大填料含量，不仅可以降低封装树脂的应力，还可以降低封装树脂的吸湿性能。( 3 ) 提高封装树脂内部的交联密度。可以通过对二氧化硅表面进行改性处理，常用偶联剂来改善无机二氧化硅表面与其他有机材料表面的相容性
