聚酰亞胺在晶閘管芯片臺(tái)面保護(hù)上的應(yīng)用分析

薛志亮

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了晶閘管和聚酰亞胺，對(duì)不同廠家聚酰亞胺應(yīng)用V-I特性進(jìn)行了比較，詳細(xì)敘述了涂覆方法及固化工藝，分析了使用過(guò)程中粘附性問(wèn)題、適應(yīng)有機(jī)溶劑和灌封膠的問(wèn)題、交流阻斷問(wèn)題、芯片長(zhǎng)期存放穩(wěn)定性問(wèn)題、重點(diǎn)分析了產(chǎn)生蠕變的現(xiàn)象和原因，最后提出相應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞：晶閘管；聚酰亞胺；蠕變

中圖分類號(hào)：TN32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

晶閘管又稱可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR），是一種包括PNPN四層或更多層的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，是弱電控制強(qiáng)電的主要橋梁之一。從20世紀(jì)50年代問(wèn)世以來(lái)已經(jīng)發(fā)展成了一個(gè)龐大的家族，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用和航空航天等高科技自動(dòng)控制領(lǐng)域，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的全面發(fā)展，現(xiàn)今的可控硅器件的額定電流可以從幾毫安到5000A以上，額定電壓可以超過(guò)10000V。

高純度高性能聚酰亞胺在集成電路及微電子工業(yè)中的應(yīng)用，包括粒子的遮擋層膜、微電子器件的鈍化層和緩沖內(nèi)涂層、多層金屬的互聯(lián)電路的層間介電材料和多芯片模塊多層互聯(lián)基板的介電材料、接點(diǎn)內(nèi)涂層。

一、晶閘管臺(tái)面工藝對(duì)保護(hù)膠的要求

1.器件在保護(hù)后，其耐壓特性不應(yīng)下降，也不應(yīng)發(fā)生邊沿處的表面放電現(xiàn)象。

2.器件在保護(hù)后，表面感應(yīng)有改善更加穩(wěn)定，反映在表面漏電流的減小和穩(wěn)定，尤其在工作結(jié)溫下，不應(yīng)有因保護(hù)層而產(chǎn)生的額外的漏電流。

3.保護(hù)層本身與硅表面應(yīng)有良好的粘附性，防潮濕、氣密性以及自身的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫的特性。

二、晶閘管制造中幾種常用的有機(jī)保護(hù)材料

1.硅橡膠。它是晶閘管制造廠家一種普遍使用的保護(hù)材料，室溫下呈膠狀物，固化后保持彈性體。

2.硅漆。以937聚酯改性硅漆（SP）為代表，是早期晶閘管等半導(dǎo)體器件使用的表面保護(hù)材料，該品經(jīng)固化后曾透明狀硬化體，其溶劑為二甲苯，對(duì)人體有毒。另因其穩(wěn)定性較差，已很少采用。

3.聚酯亞胺。具有良好的機(jī)械電氣性能，固化后呈硬質(zhì)玻璃體，毒性小，但有強(qiáng)烈刺激性氣味，是一種較廣泛使用的保護(hù)材料。

4.聚酰亞胺。因其優(yōu)異的機(jī)械、電氣、耐高溫、無(wú)毒、化學(xué)穩(wěn)定性高等特性，成為最有發(fā)展前途的保護(hù)材料，固化后呈硬質(zhì)玻璃體。因其固化條件較為苛刻，目前使用廠家較少。

三、聚酰亞胺涂層膠的選擇

市場(chǎng)上滿足晶閘管芯片表面保護(hù)要求的聚酰亞胺種類很多，我們選擇有代表性的幾種產(chǎn)品進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

需要說(shuō)明的是各廠家提供的產(chǎn)品其性能千差萬(wàn)別，同一種聚酰亞胺對(duì)不同規(guī)格、不同處理方法的晶閘管斜邊所體現(xiàn)出來(lái)的性能也會(huì)存在差異，對(duì)聚酰亞胺的選擇要看實(shí)際達(dá)到的水平來(lái)確定。

四、涂覆厚度和方法

涂覆于晶閘管斜邊上的聚酰亞胺薄膜的厚度，決定于晶閘管耐壓的要求。標(biāo)準(zhǔn)型聚酰亞胺涂層膠有著極高的介電強(qiáng)度：≥250V/μm，極薄的膜厚就能承受很高的電壓，這點(diǎn)遠(yuǎn)高于其他保護(hù)膠：例如對(duì)于2000V的芯片來(lái)說(shuō)，固化后膜厚達(dá)到8μm就夠了。（而達(dá)到同等耐壓，GD406需要135μm，聚酯亞胺也需要90μm。

對(duì)于晶閘管斜邊保護(hù)來(lái)講，由于需要涂覆的表面是個(gè)傾斜向下的斜面，就不同于平面涂覆條件，但仍然采用可調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)管芯旋轉(zhuǎn)，利用壓力分配器擠出注射器內(nèi)的涂層膠，連續(xù)在斜面開(kāi)始部位逐圈涂覆，涂后取下置于水平平板上，聚酰亞胺膠會(huì)自流形成薄膜，轉(zhuǎn)速一般選擇5～10轉(zhuǎn)/分鐘。

五、聚酰亞胺膠的固化

與一般硅橡膠類保護(hù)材料相比，聚酰亞胺的固化溫度要求較高，標(biāo)準(zhǔn)型聚酰亞胺廠家推薦的最高固化溫度有所不同，在220℃～250℃之間。固化氣氛可采用真空、充氮及正常大氣條件下固化。通常采取階梯升溫固化。升溫速率取100℃/小時(shí)，防止出現(xiàn)氣泡，若真空條件下，起始階段去除溶劑過(guò)程中真空度不要太高，否則容易起泡。真空和氮?dú)鈼l件主要目的是防止基底材料的氧化，對(duì)聚酰亞胺本身固化的影響尚無(wú)明確說(shuō)明。固化曲線參見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。

六、聚酰亞胺的去除

1.對(duì)于未固化的聚酰亞胺，采用甲醇或乙醇棉球擦去。

2.對(duì)于已經(jīng)固化的聚酰亞胺，則需要濃硫酸浸泡或借助超聲波加快其溶解速度。

3.比例為20%～30%熱的NaOH溶液溶除，同樣借助于超聲波會(huì)加快溶解速度。

七、應(yīng)用中的問(wèn)題解析

1.粘附性差的問(wèn)題

在涂膠過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，膠膜會(huì)縮聚成滴，粘度越低，粘附性越差，這是因?yàn)榫埘啺菲浞肿泳哂须娮訕O化性和結(jié)晶性，導(dǎo)致其粘結(jié)性能并不理想。

通過(guò)試驗(yàn)，我們找到了解決其粘附性的辦法：一方面對(duì)腐蝕清洗后管芯進(jìn)行高溫烘烤以保證斜邊硅單晶表面保持干燥形成疏水表面，有條件的單位可進(jìn)行無(wú)機(jī)膜如SiO2、多晶硅鈍化可增進(jìn)粘附性；另一方面適當(dāng)增加涂層的厚度，涂覆后盡快放入烘箱中短時(shí)間低溫烘烤；還有一種方法就是在純凈的聚酰亞胺中按比例摻入硅橡膠，可明顯增強(qiáng)粘附性。

2.適應(yīng)有機(jī)溶劑及灌封膠的問(wèn)題

（a）晶閘管芯片在封裝過(guò)程中，需要進(jìn)行表面處理，以清除粘附在表面的灰塵、氧化層及其他有害污染物。有些保護(hù)材料一經(jīng)有機(jī)溶劑侵蝕就會(huì)產(chǎn)生膨脹、溶解、甚至發(fā)生化學(xué)變化，使管芯V-I特性急劇惡化，甚至失去作用。SP膠、GD406硅橡膠能耐乙醇溶劑，但不耐丙酮、甲苯、三氯乙烯。聚酯亞胺和聚酰亞胺則能耐乙醇、丙酮、甲苯、三氯乙烯等多種溶劑。

將聚酰亞胺保護(hù)的管芯置于上述溶劑中浸泡，24h后取出，聚酰亞胺無(wú)任何表象的變化，測(cè)試其V-I特性也沒(méi)有任何影響，足以見(jiàn)得該涂層膠對(duì)有機(jī)溶劑的超強(qiáng)忍耐力。

（b）聚酰亞胺適應(yīng)灌封膠的情況

灌封就是將液態(tài)灌封膠用機(jī)械或手工方式灌入裝有晶閘管芯片及部分線路的管殼、配套件內(nèi)，在常溫或加熱條件下固化，起到防潮、防震、絕緣等作用。斜邊保護(hù)層必須適應(yīng)于灌封材料，在灌封后不產(chǎn)生任何不利于性能穩(wěn)定的物理化學(xué)變化。大量試驗(yàn)驗(yàn)證，并經(jīng)用戶廣泛使用，采用聚酰亞胺保護(hù)的晶閘管芯片，對(duì)市場(chǎng)上應(yīng)用的常用灌封膠，如：有機(jī)硅凝膠、單組份硅橡膠、雙組份硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂、道康寧有機(jī)硅膠均無(wú)不良反應(yīng)。

3.高溫交流阻斷特性

采用聚酰亞胺涂層膠，非常理想地解決了SP膠及硅橡膠交流阻斷通不過(guò)的問(wèn)題，對(duì)芯片進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)，波形極為平穩(wěn)，充分證明其高溫穩(wěn)定性良好。

4.采用聚酰亞胺保護(hù)，漏電流同存放時(shí)間的關(guān)系

我們對(duì)聚酰亞胺保護(hù)的芯片，無(wú)任何保護(hù)措施條件下存放于普通室內(nèi)，進(jìn)行連續(xù)1年的跟蹤，包括測(cè)試儀表的誤差，其高溫漏電流變化在5%以內(nèi)，常溫漏電流變化在±0.01mA之間。其穩(wěn)定性是其他保護(hù)材料無(wú)法企及的。

5.V-I特性蠕變的問(wèn)題

本文所說(shuō)的蠕變現(xiàn)象是指常溫下加電壓后起始或者幾百V后漏電流明顯增加，曲線前端出現(xiàn)翹起，且漏電流隨著電壓增加而增加的現(xiàn)象。

蠕變產(chǎn)生的機(jī)理：

（1）表面處理不到位，存在大量可移動(dòng)電荷如K+，Na+，這種情況下V-I特性隨著測(cè)試時(shí)間的增加，擊穿電壓逐漸減小，甚至?xí)霈F(xiàn)擊穿回線。

（2）聚酰亞胺固化不徹底：有資料顯示，通常在300℃熱處理后其亞胺化率（環(huán)化率）應(yīng)在90%以上，但仍有部分沒(méi)有亞胺化，沒(méi)有亞胺化的高分子會(huì)有部分自由基團(tuán)，在電場(chǎng)作用下釋放電荷參與導(dǎo)電，逐步提高固化溫度，亞胺化率也逐步提高，完全亞胺化則需要370℃～390℃。

（3）可移動(dòng)電荷的熱電效應(yīng)：芯片斜邊上總會(huì)吸附著某些能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)，甚至保護(hù)膠自身在使用過(guò)程中也會(huì)受到污染，比如攪拌、分裝、涂覆，其中引入有可移動(dòng)電荷，這些電荷在外界環(huán)境沒(méi)有達(dá)到某一條件時(shí)處于惰性，被束縛著，但在高溫及電場(chǎng)作用下則被激活，形成定向移動(dòng)的表面漏電流。

蠕變問(wèn)題的解決方法：

（1）調(diào)加強(qiáng)表面腐蝕清洗，避免沾污，這一點(diǎn)是基礎(chǔ)。

（2）改變固化條件，提高固化最高溫度，增加固化時(shí)間。

（3）進(jìn)行工藝篩選，這是確保管芯出廠性能正常的措施。

結(jié)語(yǔ)

聚酰亞胺（PI）作為晶閘管芯片表面鈍化層和緩沖保護(hù)層，以其優(yōu)異的性能代替硅橡膠、SP硅漆等傳統(tǒng)保護(hù)材料，可以有效阻滯電子遷移，防止腐蝕，能夠承受很高的電場(chǎng)強(qiáng)度并具有很低的漏電流，提高了元件適應(yīng)各種環(huán)境及灌封材料的能力，使用可靠性及壽命大幅提高，必將愈來(lái)愈受到廣泛地重視。

參考文獻(xiàn)

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