功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)

功率半導(dǎo)體封裝是連接芯片和外部電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有實(shí)現(xiàn)電氣連接、提供機(jī)械支撐、保護(hù)芯片以及提供散熱通道等重要功能。

一、常見的封裝類型

1. 分立式封裝

• 廣泛應(yīng)用于小功率范圍。這類封裝的功率器件需要焊接到印刷電路板上，由于功率損耗相對較低，散熱要求不高，通常不采用內(nèi)部絕緣，每個(gè)封裝中只有一個(gè)開關(guān)。例如晶體管常采用的TO（Transistor Outline）封裝，像流行的TO - 220和TO - 247封裝形式。不過，TO封裝存在一些缺陷，其寄生電阻和Ron（導(dǎo)通電阻）數(shù)量級相當(dāng)，而且由于印刷電路板（PCB）的通孔是標(biāo)準(zhǔn)的，并且要滿足和保持引線之間的最小絕緣距離要求，不能簡單地通過增加引腳截面積來降低引腳的寄生電阻，只能通過優(yōu)化引腳截面積的形狀來改善。此外，為了降低成本而使用鋁線連接，要改善電阻損耗，只能加粗導(dǎo)線或增加引線數(shù)量，但這樣會帶來雜散電感的問題。隨著技術(shù)發(fā)展，小功率器件也開始采用表面貼裝技術(shù)（SMT），如SOT、SOP等封裝類型。

2. 模塊封裝

• 適用于中大功率應(yīng)用。對于更高功率需求，模塊封裝有其優(yōu)勢。例如在高功率范圍，還有一種壓接封裝（Press Packs）或餅形封裝（Capsules）類型，主要應(yīng)用于高功率范圍且目前尚不能由功率模塊實(shí)現(xiàn)的情況。在極高功率范圍中，功率芯片的大小可以達(dá)到整個(gè)晶圓的尺寸，此時(shí)具有圓形管腳的培養(yǎng)皿型封裝成為適合圓形芯片的理想封裝形式。在這種封裝中，為了平衡壓力并避免壓力峰值，介于兩個(gè)金屬片之間放置一個(gè)緩沖器件，鉬是比較理想的金屬材料，它具有高硬度和良好的熱膨脹系數(shù)，硅芯片在陽極一側(cè)與一塊剛性的鉬圓盤底座燒結(jié)在一起，然后在陰極一側(cè)通過壓接與第二個(gè)鉬圓片連接，使芯片位于封裝內(nèi)部的中心位置。

3. 新型封裝技術(shù)

• 隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷有新的封裝技術(shù)涌現(xiàn)。如銀燒結(jié)、銅線鍵合等新材料和新工藝不斷地被引入到功率半導(dǎo)體封裝中。雙面冷卻封裝、薄片壓接式封裝、多片式集成功率模塊乃至異質(zhì)多芯片功率模塊等新型封裝技術(shù)也不斷出現(xiàn)。這些新型封裝技術(shù)有助于提高功率半導(dǎo)體的性能、可靠性和散熱能力等。

二、封裝涉及的材料、工藝、質(zhì)量控制和產(chǎn)品認(rèn)證

1. 材料方面

• 不同的封裝材料對功率半導(dǎo)體的性能有著重要影響。例如在一些高功率應(yīng)用中，鉬這種材料用于特定的封裝結(jié)構(gòu)中，是因?yàn)樗哂懈哂捕群土己玫臒崤蛎浵禂?shù)。封裝材料還包括用于連接芯片和引腳的鍵合材料等，傳統(tǒng)的鋁線鍵合在一些情況下存在局限性，而銅線鍵合的引入改善了性能。此外，封裝材料還需要考慮其導(dǎo)熱性、絕緣性等特性。

2. 工藝方面

• 封裝工藝涵蓋多個(gè)步驟，從芯片的貼裝到引腳的連接等。在芯片貼裝過程中，要確保芯片與封裝底座之間的良好接觸，以實(shí)現(xiàn)有效的散熱和電氣連接。鍵合工藝則是將芯片的電極與封裝引腳連接起來，如金線鍵合、銅線鍵合等工藝，鍵合的質(zhì)量直接影響到電氣連接的可靠性。在一些新型封裝工藝中，銀燒結(jié)工藝可以提高連接的可靠性和導(dǎo)熱性能。

3. 質(zhì)量控制

• 質(zhì)量控制在功率半導(dǎo)體封裝中至關(guān)重要。在生產(chǎn)過程中，需要對封裝的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的檢測。例如對芯片貼裝的位置精度、鍵合的強(qiáng)度和質(zhì)量等進(jìn)行檢測。通過各種測試手段，如拉力測試來檢測鍵合的牢固程度，光學(xué)檢測來檢查芯片貼裝的位置等，確保封裝的質(zhì)量符合要求。

4. 產(chǎn)品認(rèn)證

• 功率半導(dǎo)體封裝產(chǎn)品需要通過相關(guān)的認(rèn)證，以證明其符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。不同的應(yīng)用領(lǐng)域可能有不同的認(rèn)證要求，例如在汽車和航天等特殊領(lǐng)域，對功率半導(dǎo)體封裝的可靠性、安全性等方面有著更為嚴(yán)格的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。這些認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了從材料到工藝，再到產(chǎn)品性能和可靠性等多方面的要求。

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功率半導(dǎo)體測試方法

功率半導(dǎo)體測試是確保其性能和可靠性的重要手段，通過多種測試方法可以全面評估功率半導(dǎo)體的各項(xiàng)特性。

一、半導(dǎo)體材料的電阻率測試

1. 四探針測試法

• 四探針技術(shù)可測試對象主要有晶圓片和薄層電阻，例如硅襯底片、研磨片、外延片、離子注入片、退火硅片、金屬膜和涂層等。它是微區(qū)薄層電阻測試的常用方法，不同于使用萬用表測量常規(guī)導(dǎo)體電阻，因?yàn)榘雽?dǎo)體硅單晶電阻率以及微電子領(lǐng)域的其他金屬薄膜電阻率的測量需要利用微小信號供電以及高精密的量測設(shè)備，并且在測試接線方式上采用四線制接法來提升測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

• 直線四探針法原理是用針距為1mm的四根探針同時(shí)壓在樣品的平整表面上，利用恒流源給外面的兩個(gè)探針通以微小電流，然后在中間兩個(gè)探針上用高精密數(shù)字萬用表測量電壓，最后根據(jù)理論公式計(jì)算出樣品的電阻率。這種方法能測出超過其探針間距三倍以上大小區(qū)域的不均勻性。測試設(shè)備包括不同探針間距探針臺、IT2806高精密源表和上位機(jī)軟件PV2800。IT2806高精密源表（簡稱SMU）集六種設(shè)備功能于一體（恒流源、恒壓源、脈沖發(fā)生器、6.5位DVM、電池模擬器、電子負(fù)載），在電阻率的測試中，可將IT2806高精密源表切換至恒流源模式，在輸出電流同時(shí)量測中間兩探針之間的微小壓降，并搭配免費(fèi)的PV2800上位機(jī)軟件，自動(dòng)得出電阻率的測量結(jié)果。

• 方形四探針法（如范德堡法）適用于扁平、厚度均勻、任意形狀且不含有任何隔離孔的樣品材料測試。與直線型四探針法相比，其對樣品形狀沒有要求。測試中，四個(gè)探針接觸點(diǎn)必須位于樣品的邊緣位置，測試接線方式也是在其中兩個(gè)探針點(diǎn)提供恒定電流，另外兩個(gè)點(diǎn)量測電壓，圍繞樣品進(jìn)行8次測量，對這些讀數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)組合來決定樣品的平均電阻率，詳細(xì)測試方法可參見ASTM標(biāo)準(zhǔn)F76。

2. 測試優(yōu)勢

• 使用IT2800系列高精密源表測量電阻率具有測試便捷的優(yōu)點(diǎn)，ITECH IT2800系列高精密源/測量單元標(biāo)配免費(fèi)的上位機(jī)PV2800軟件，并可選配不同直線探針間距的探針臺，利用軟件內(nèi)置的公式，即可直接得出電阻率的測試結(jié)果。而且測試精度高，高達(dá)100nV/10fA分辨率，電流量測精度最高可達(dá)0.1% + 50pA，電壓量測精度最高可達(dá)0.015%+300uV，還提供正向/反向電流連續(xù)變化測試，提高測試精度。

二、半導(dǎo)體器件的I - V特性測試（以MOSFET為例）

1. MOSFET轉(zhuǎn)移特性測試（ID = f(VGS))

• 轉(zhuǎn)移特性驗(yàn)證的是柵極電壓VGS對漏極電流ID的控制作用，其表征了器件的放大能力。對于恒定的VDS，VGS越大，則溝道中可移動(dòng)的電子越多，溝道電阻越小，相應(yīng)的ID就越大，當(dāng)VGS達(dá)到一定值的時(shí)候，電壓再大，ID也不會再有太大的變化。測試方法為在漏極D和源極S之間連接SMU1 - IT2805(200V/1.5A/20W)，施加特定的VDS值，接著通過SMU2 - IT2805掃描VGS，并同步量測ID，隨著VGS的增大，ID也會增大，最終繪制出曲線。測試優(yōu)勢在于IT2800系列提供多種掃描模式：直流或脈沖，線性或?qū)?shù)，單向或雙向。對于敏感型的功率器件，測試人員可選擇脈沖掃描方式，以減少通過持續(xù)的直流而導(dǎo)致器件溫度升高、特性發(fā)生變化等問題。另一方面為確保當(dāng)VGS變化時(shí)，同步量測到穩(wěn)定的ID參數(shù)，兩臺SMU之間采用光纖的通訊方式，極大縮減了同步誤差，可低于30ns。

2. MOSFE輸出特性測試（ID = f(VDS))

• MOS管的輸出特性可以分為三個(gè)區(qū)：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)。當(dāng)MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，隨著VGS的通/斷，MOSFET在截止區(qū)和可變電阻區(qū)來回切換。當(dāng)MOSFET工作于恒流區(qū)時(shí)，可以通過控制VGS的電壓來控制電流ID。測試方法是同樣在漏極D和源極S之間連接SMU1 - IT2805(200V/1.5A/20W)，提供掃描電壓VDS，在柵極G和源極S之間連接SMU2 - IT2805，提供掃描電壓VGS。測試過程中，漏源極電壓VDS設(shè)定從0V開始掃描至終止電壓，當(dāng)VDS掃描結(jié)束后，柵極電壓VGS步進(jìn)到下一個(gè)數(shù)值，VDS再次進(jìn)行掃描。此外，還可以選配ITECH的SPS5000軟件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的半導(dǎo)體靜態(tài)特性測試。SPS5000軟件內(nèi)建CMOS的半導(dǎo)體模型及豐富的靜態(tài)指標(biāo)測試項(xiàng)目，只需進(jìn)行簡單的參數(shù)配置即可快速完成測試，當(dāng)測試完成后，上位機(jī)軟件可以對多次測試進(jìn)行綜合的分析，顯示table數(shù)據(jù)或曲線，幫助工程師提升測試效率。

三、雙脈沖測試

1. 測試原理和意義

• 雙脈沖測試（Double Pulse Test）是分析功率開關(guān)器件動(dòng)態(tài)特性的常用測試。通過雙脈沖測試可以便捷地評估功率器件的性能，獲得穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過程中的主要參數(shù)，更好地評估器件性能，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)等。雖然功率半導(dǎo)體器件的手冊上會有參數(shù)標(biāo)注，但這些參數(shù)都是在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下得到的。在實(shí)際應(yīng)用中，如果不加以測試，直接在標(biāo)定的工況下運(yùn)行看能否達(dá)到設(shè)計(jì)的功率，無法全面了解器件性能，進(jìn)而影響產(chǎn)品長期可靠性，或者設(shè)計(jì)裕量過大帶來成本增加，使得產(chǎn)品的市場競爭力下降。例如在使用IGBT或者M(jìn)OSFET做逆變器的設(shè)計(jì)中，如果能在設(shè)計(jì)研發(fā)階段，精準(zhǔn)地了解器件的開關(guān)性能，將對整個(gè)產(chǎn)品的優(yōu)化帶來極大的好處，如能在不同的電壓、電流和溫度下獲得開關(guān)損耗，給系統(tǒng)仿真提供可靠的數(shù)據(jù)，還可以通過觀察波形振蕩情況來選擇合適的門極電阻。

2. 測試平臺和流程

• 測試平臺包括高壓電源（如IT6700H/IT6018C - 1500 - 40/IT - M3906C - 1500 - 125）、高壓差分電壓探頭（1000:1）、SMU（如IT2806）等。測試流程為在t0時(shí)刻，被測IGBT的門極接收到第一個(gè)脈沖，被測IGBT導(dǎo)通，母線電壓U加在負(fù)載電感L上，電感上的電流線性上升，I = U*t/L。IGBT關(guān)斷前的t1時(shí)刻，電感電流的數(shù)值由U和L決定；在U和L都確定時(shí)，電流的數(shù)值由IGBT開啟的脈寬T1決定，開啟時(shí)間越長，電流越大。

功率半導(dǎo)體可靠性分析

功率半導(dǎo)體的可靠性是其在各種應(yīng)用場景中能夠長期穩(wěn)定工作的關(guān)鍵指標(biāo)，需要通過多種測試和分析方法來評估。

一、可靠性測試項(xiàng)目分類

1. 基本特性測試

• 主要包括靜態(tài)特性測試和動(dòng)態(tài)特性測試。以IGBT為例，靜態(tài)特性測試一般指飽和壓降Vces、閾值電壓Vgeth、集 - 射極漏電流Ices、柵 - 射極漏電流Iges、穩(wěn)態(tài)熱阻Rth等靜態(tài)參數(shù)。這些靜態(tài)參數(shù)主要表征模塊的一些基本性能參數(shù)，是表征模塊優(yōu)良的重要指標(biāo)，例如飽和壓降Vces表征器件的導(dǎo)通能力，Vces越小，模塊工作過程中的導(dǎo)通損耗越小，相同條件下溫升越小。動(dòng)態(tài)特性測試一般指雙脈沖測試，包括開通延時(shí)時(shí)間td(on)、下降時(shí)間tf等動(dòng)態(tài)參數(shù)，還可包括安全工作區(qū)SOA的測試，有RBSOA和SCSOA。器件加速老化可靠性實(shí)驗(yàn)前必須進(jìn)行模塊的基本特性測試，尤其是靜態(tài)特性測試，一方面確保被測器件功能的完整性，另一方面可用于老化后的對比分析，助力器件失效模式的分析。不過，一般在可靠性老化測試中不進(jìn)行器件的動(dòng)態(tài)特性測試，即使是進(jìn)行柵極老化的高溫柵偏實(shí)驗(yàn)，一方面是動(dòng)態(tài)特性測試時(shí)間很短，封裝的老化并不會影響器件的動(dòng)態(tài)特性，另一方面器件的部分動(dòng)態(tài)特性可通過Iges和Vgeth表征，甚至可進(jìn)行柵極電容的測試來表征。

2. 極限能力測試

• 主要包括短路能力測試、浪涌能力測試和極限關(guān)斷能力測試，考核的是器件在極端工況下的能力，尤其是關(guān)斷能力。例如短路能力測試主要考核器件在短路（一般有3類短路情況）條件下器件的極限關(guān)斷能力，一般為10μs能關(guān)斷電流的數(shù)值，主要考核芯片的能力。浪涌能力則是考核反并聯(lián)二極管抗浪涌能力，一般是10ms正弦半波的沖擊，尤其是SiC MOSFET的體二極管非常重要，可能還會影響柵極的可靠性，由于時(shí)間較長，主要考核封裝的水平。極限關(guān)斷能力則是考核器件飽和狀態(tài)下在毫秒級的關(guān)斷能力，如電網(wǎng)用的直流斷路器需要在3ms關(guān)斷6倍的額定電流。從物理和傳熱學(xué)理論來看，短路測試雖然會有大量的能量產(chǎn)生，最終也是由于能量超過芯片極限而損壞，但由于測試時(shí)間非常短，反復(fù)的短路測試不會引起封裝的老化，而浪涌能力和極限能力測試則將進(jìn)一步影響封裝的老化，是加速老化測試未來應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的測試。此外，極限能力是特種電源等極端應(yīng)用時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的測試。

3. 可靠性測試

• 主要包括功率循環(huán)、溫度循環(huán)、溫度沖擊、機(jī)械沖擊、機(jī)械振動(dòng)、高溫柵偏、高溫反偏、高溫高濕反偏和高低溫存儲等，額外的還包括鹽霧等測試。按照應(yīng)力的來源區(qū)分其實(shí)可分為電應(yīng)力加速老化和環(huán)境應(yīng)力加速老化。從器件研發(fā)到量產(chǎn)以及應(yīng)用過程中，需要經(jīng)過大于10項(xiàng)可靠性測試，機(jī)械沖擊、機(jī)械振動(dòng)、溫度存儲等主要考核的是器件在運(yùn)輸或者存儲過程中的可靠性，而最重要的測試主要有高溫柵偏、高溫反偏、高溫高濕反偏、溫度循環(huán)和功率循環(huán)。這些實(shí)驗(yàn)也是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究最多、最復(fù)雜的測試，尤其是功率循環(huán)測試。通過上述加速老化實(shí)驗(yàn)，可以提前暴露器件在芯片設(shè)計(jì)、封裝工藝、樣品制備、運(yùn)輸存儲、實(shí)際應(yīng)用過程中可能存在的問題，一方面可為器件廠商提供改進(jìn)建議，優(yōu)化器件的性能并提高器件可靠性，另一方面可為器件的應(yīng)用方提供技術(shù)指導(dǎo)以及實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)和可靠性驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支撐。

4. 失效分析

• 主要包括SAM超聲波掃描分析、X - ray材料損傷檢測分析、SEM電子顯微鏡分析、光學(xué)顯微鏡分析和有限元仿真分析。SAM超聲波掃描分析主要是通過超聲波對器件內(nèi)部各層材料進(jìn)行探傷，尤其是材料的界面處，當(dāng)存在一個(gè)空洞時(shí)，返回的超聲波能量和相序發(fā)生了變化，即可進(jìn)行定位。X - ray則更多是用于材料本體探傷研究，多用于材料級的失效分析，SEM電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡也是一樣，但光學(xué)顯微鏡需要打開模塊才能對相應(yīng)的位置進(jìn)行深入探究。有限元仿真分析是一個(gè)除實(shí)驗(yàn)外最好的檢測、分析和研究手段，通過實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的對比和修正，完全重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中器件內(nèi)部的細(xì)節(jié)和薄弱點(diǎn)，也是失效分析最難和最為重要的環(huán)節(jié)。

二、不同類型功率器件的可靠性特點(diǎn)

1. 硅基器件（如IGBT）

• 硅基IGBT器件由于驅(qū)動(dòng)功率小和飽和壓降低，而且具有電壓等級高（高達(dá)6500V）和電流范圍廣（高達(dá)3600A）的優(yōu)勢，在新能源、軌道交通、電動(dòng)汽車、工業(yè)應(yīng)用和家用電器等應(yīng)用中成為中流砥柱。但在可靠性方面，隨著使用開關(guān)頻率的提升、能耗要求和基礎(chǔ)材料的發(fā)展，也面臨著新的挑戰(zhàn)。例如在高工作結(jié)溫、高功率密度和高開關(guān)頻率的發(fā)展需求下，其封裝的可靠性需要進(jìn)一步提升以適應(yīng)電力電子裝置小型化的要求。

2. 碳化硅（SiC）基器件（如SiC MOSFET）

• SiC MOSFET具備高擊穿場強(qiáng)、高工作結(jié)溫和高開關(guān)頻率的特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車等應(yīng)用中得到重點(diǎn)關(guān)注。然而，SiC器件由于柵極的不穩(wěn)定性，在可靠性測試方面需要重點(diǎn)關(guān)注其柵極氧化層的可靠性。例如，英飛凌在控制和保證基于SiC的功率半導(dǎo)體器件的可靠性時(shí)，會進(jìn)行如馬拉松應(yīng)力試驗(yàn)、柵極電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)等來篩查SiC MOSFET柵極氧化層的可靠性，還會關(guān)注其偏壓溫度不穩(wěn)定性等方面的情況。

3. 氮化鎵（GaN）基器件

• GaN工藝的不斷成熟以及在射頻領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，目前600V左右的高頻開關(guān)領(lǐng)域GaN器件非常有優(yōu)勢，尤其是車載充電機(jī)（OBC）。但由于GaN動(dòng)態(tài)的快速性，在測試方法和細(xì)節(jié)上要有所區(qū)分，以確保對其可靠性的準(zhǔn)確評估。

功率半導(dǎo)體封裝與測試的關(guān)系

功率半導(dǎo)體的封裝和測試是緊密相關(guān)的兩個(gè)環(huán)節(jié)，封裝的質(zhì)量和特性會影響測試結(jié)果，而測試又能對封裝的優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)。

一、封裝對測試的影響

1. 電氣連接方面

芯片封裝清洗介紹

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。