MOSFET無(wú)損封裝技術(shù)研究

汕頭華汕電子器件有限公司 李 彬 方逸裕 劉 馴

1.引言

電子技術(shù)的不斷進(jìn)步及市場(chǎng)的需求，半導(dǎo)體功率MOSFET器件的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越廣泛，相應(yīng)的，MOSFET器件的要求也越來(lái)越高：要求可承受的反向電壓從幾十伏特到上千伏特不等，最大可承受電流更是高達(dá)數(shù)百安培。為滿足各種需求，芯片設(shè)計(jì)者也開(kāi)發(fā)了各類(lèi)新型MOSFET芯片結(jié)構(gòu)，如典型的MOSFET trench結(jié)構(gòu)等，但同時(shí)也正是這些新型設(shè)計(jì)，使得芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜精細(xì)，更容易受損。

由于MOSFET芯片自身抗靜電能力較差，再加上芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的復(fù)雜精細(xì)化趨勢(shì)，使得MOSFET器件對(duì)封裝技術(shù)的要求也更加嚴(yán)格，封裝過(guò)程中一點(diǎn)點(diǎn)細(xì)微的內(nèi)部損傷或是靜電都有可能造成產(chǎn)品的失效，如晶圓切割過(guò)程中的靜電擊穿、die bond過(guò)程中的平整度異常、wire bond過(guò)程的芯片損傷問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)封裝廠都沒(méi)有很好的解決這些問(wèn)題，導(dǎo)致MOSFET測(cè)試良率偏低。所以，我們的研究目的就是解決這些問(wèn)題，提升MOSFET的測(cè)試良率。

2.研究?jī)?nèi)容

2.1 設(shè)計(jì)一種新型的定位裝置，使在焊線過(guò)程能夠有效的固定住焊接框架，避免焊接過(guò)程中因緊固度不足而造成的損傷/虛焊問(wèn)題。

在焊接過(guò)程中，既有橫向的高頻超聲振動(dòng)P，也有縱向的焊接壓力F，若是焊接基板-框架框架在焊接過(guò)程中沒(méi)有緊固，則一來(lái)在焊接能量的作用下框架會(huì)形成共振造成虛焊，二來(lái)芯片在這種不穩(wěn)固的焊接中也容易產(chǎn)生內(nèi)部損傷。如圖1所示為焊線過(guò)程原理圖。

圖1 焊線過(guò)程原理圖

通過(guò)對(duì)框架結(jié)構(gòu)的研究，我們將焊線定位裝置的定位叉設(shè)計(jì)成環(huán)抱式的機(jī)構(gòu)。如圖2、3所示：

圖2 定位叉效果圖

圖3 定位叉效果圖

2.2 采用一種新型的焊接方式（“品”型對(duì)稱焊接），提升MOSFET抗大電流沖擊的能力。

通過(guò)對(duì)測(cè)試不良樣品的解剖分析過(guò)程，我們發(fā)現(xiàn)部分功率MOSFET芯片表面存在黑色燒穿點(diǎn)，如圖示：HFP3205芯片右上角處存在明顯過(guò)流燒穿點(diǎn)，如圖4所示。

由于功率MOSFET的開(kāi)關(guān)特性，使得MOSFET產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在負(fù)載開(kāi)關(guān)上，如替代固態(tài)繼電器作電機(jī)開(kāi)關(guān)用。當(dāng)MOSFET用于開(kāi)關(guān)電源時(shí)，從電源接通到輸出電壓穩(wěn)定下來(lái)的這段時(shí)間內(nèi)，MOSFET芯片所承受的浪涌電流可能會(huì)超出其額定漏極電流ID，從而造成如上所示的芯片表面過(guò)流擊穿。理論上，按照漏極電流ID的計(jì)算公式：

如果能夠降低Ta或是減小RDS(ON)就可以提高M(jìn)OSFET的ID大小，從而提升管子的抗沖擊能力。換句話說(shuō)，通過(guò)改善MOSFET的散熱條件可以有效防止MOSFET因電流過(guò)大而損壞。

圖4 芯片表面過(guò)流燒穿

有研究表明，功率MOSFET產(chǎn)品在應(yīng)用過(guò)程中，其hottest spot主要集中在芯片表面及鋁線的接觸面處，如圖5-7所示為對(duì)D-PAK封裝的某MOSFET進(jìn)行的熱點(diǎn)分析圖。

圖5 熱點(diǎn)分析圖

圖6 熱點(diǎn)分析圖

圖7 熱點(diǎn)分析圖

通過(guò)以上的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：對(duì)于此類(lèi)大電流芯片，當(dāng)焊接方式/焊接位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整：對(duì)稱焊接、增加導(dǎo)線條數(shù)/直徑等，可以明顯提升產(chǎn)品的耐電流沖擊能力。

2.3 通過(guò)在去離子水中加定量CO2的方式，降低去離子水的電阻率，從而達(dá)到劃片過(guò)程中預(yù)防/消除靜電損傷的目的。

在半導(dǎo)體加工行業(yè)，一般使用高品質(zhì)的去離子水進(jìn)行輔助切割、清洗等，這樣有助于良率的提升。為消除切割過(guò)程中的靜電影響，我們采用在去離子水中注入CO2的方式，來(lái)降低去離子水的電阻率。去離子水的電阻值一般在12MΩ.cm以上，PH值約為5.5～7之間，而在通入CO2之后，CO2是微溶于水的，在純水中分2步電離形成游離態(tài)的H+和CO3-：

去離子水在溶入CO2之后，其電阻率可降低至0.1～1MΩ.cm，正是這類(lèi)游離態(tài)的帶電離子可以中和切割過(guò)程中產(chǎn)生的靜電，從而達(dá)到靜電消除的目的。

按照溶解量的不同，碳酸溶液的酸堿度也不大一樣，飽和碳酸溶液(純CO2，壓力為1atm)的pH約為4，而在自然條件下CO2含量是0.3%，溶解達(dá)到飽和時(shí)pH=5.6。我們知道，功率MOSFET芯片的表層都是有覆蓋一層Al或是CuAl合金，其厚度薄至3um，在長(zhǎng)時(shí)間的飽和酸性環(huán)境下，這種極薄的金屬層很容易被酸腐蝕，甚至連芯片內(nèi)部的Si/SiO2結(jié)構(gòu)也會(huì)被破壞，從而造成芯片失效。但如果CO2溶解不足，則又不足以保證切割過(guò)程中的靜電荷被完全中和掉。所以需要對(duì)溶入去離子水中的CO2含量進(jìn)行控制，即控制CO2去離子水的電阻值。

2.4 設(shè)計(jì)一種減薄型的壓錫頭裝置，減少臺(tái)階厚度，避免上芯壓錫過(guò)程中壓錫頭碰撞到框架的風(fēng)險(xiǎn)，提升上芯后芯片的平整度。

對(duì)于功率MOSFET產(chǎn)品而言，為了提升功率處理能力，芯片尺寸一般會(huì)盡可能設(shè)計(jì)的大而薄，其一、芯片尺寸越大其可承受的電流及電壓也越大，其二、芯片越薄其內(nèi)阻也越小，產(chǎn)品工作過(guò)程中的能量耗散也越小。但是這種大而薄的芯片會(huì)對(duì)封裝過(guò)程及產(chǎn)品可靠性帶來(lái)不利影響，如圖8所示。

圖8 不完全溢錫

圖9 壓錫頭臺(tái)階影響壓錫深度

圖10 改良前后壓錫頭對(duì)比

圖11 改進(jìn)壓錫頭結(jié)果后大芯片溢錫效果

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，因各類(lèi)框架的尺寸/結(jié)構(gòu)不大一樣，部分框架在壓錫過(guò)程中會(huì)存在圖9所示問(wèn)題。對(duì)此，我們對(duì)ESEC公司壓錫頭標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸進(jìn)行了修改，將上述臺(tái)階厚度C進(jìn)行減薄處理，由1mm調(diào)整為0.5mm的厚度，如圖10所示。

在完成上述壓錫頭結(jié)構(gòu)的改善后，我們對(duì)參數(shù)也進(jìn)行再優(yōu)化，從而得到理想的上芯效果，如圖11所示。

3.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)MOSFET無(wú)損封裝技術(shù)研究工作的開(kāi)展，我司功率MOSFET產(chǎn)品的測(cè)試良率及產(chǎn)品可靠性有了明顯改善，測(cè)試良率從95%～96%穩(wěn)定提升至98%以上。目前，該技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用在華汕公司加工的MOSFET產(chǎn)品上，其質(zhì)量穩(wěn)定可靠。這類(lèi)MOSFET應(yīng)用廣泛，主要用于電動(dòng)車(chē)無(wú)刷控制、電源適配器、馬達(dá)控制開(kāi)關(guān)、高速轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等場(chǎng)合。

[1]褚華斌,胡俊,陳素鵬.表面貼裝功率MOSFET封裝技術(shù)研究進(jìn)展[A].2010'全國(guó)半導(dǎo)體器件技術(shù)研討會(huì)論文集[C].2010.