快恢復(fù)二極管銅遷移失效機(jī)理及應(yīng)用可靠性研究

作者/ 項(xiàng)永金 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

項(xiàng)永金(1988-)，男，助理工程師，研究方向：半導(dǎo)體器件及功率器件可靠性分析與研究整改。

摘要：變頻空調(diào)控制器柜機(jī)主板在生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)大量IPM炸裂失效 ，IPM炸失效同步自舉二極管失效，位置不集中，對(duì)主板進(jìn)行分析，確定是IPM自舉電路升壓二極管異常導(dǎo)致IPM炸裂失效，經(jīng)過(guò)對(duì)大量失效二極管及全檢異常二極管分析，分析研究結(jié)果表明：二極管因?yàn)榫A設(shè)計(jì)工藝結(jié)構(gòu)缺陷、焊接工藝問(wèn)題，導(dǎo)致晶圓焊接時(shí)產(chǎn)生高溫銅遷移，抗機(jī)械應(yīng)力水平下降，在實(shí)際應(yīng)用中又因?yàn)槠骷_跨距設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致器件受機(jī)械應(yīng)力影響加深失效程度，最終出現(xiàn)過(guò)電擊穿失效，經(jīng)大量的方案分析驗(yàn)證最終確定可行的方案，有效解決二極管銅遷移失效。從器件本身提高器件的應(yīng)用可靠性。

引言

　　快恢復(fù)二極管簡(jiǎn)稱FRD，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通二極管不同，屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加基區(qū)，構(gòu)成硅片，因?yàn)榛鶇^(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間很短，正向壓降低，反向擊穿電壓高。該二極管在電器產(chǎn)品控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用在空調(diào)主板開關(guān)電源及壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制逆變電路中，二極管失效直接導(dǎo)致主板電源部分不能正常工作，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，A企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大比例的IPM炸失效，經(jīng)過(guò)大量信息統(tǒng)計(jì)及電路設(shè)計(jì)方面排查分析，是二極管異常導(dǎo)致，該問(wèn)題嚴(yán)重影響我司產(chǎn)品質(zhì)量，一段時(shí)間內(nèi)一直都沒(méi)有找到失效原因，對(duì)二極管大量失效品深入分析研究及快速解決二極管過(guò)電失效尤為重要，研究二極管失效原因及失效機(jī)理，采取有效改善預(yù)防措施，具有非常重要意義。

1 二極管高溫銅遷移失效產(chǎn)生原理

　　快恢復(fù)二極管由兩部分組成，即二極管硅晶圓和杜美絲銅引線部分，晶圓與杜美絲采取高溫焊接后進(jìn)行樹脂封裝成型，硅晶圓主要物質(zhì)成分SiO2，銅在SiO2中擴(kuò)散速度很快，而且銅是硅的深能級(jí)受主雜質(zhì)，擴(kuò)散到Si中并在Si的禁帶中形成幾個(gè)深能級(jí)受主能級(jí)，這些能級(jí)會(huì)充當(dāng)產(chǎn)生復(fù)合中心或陷阱而改變非平衡少子的濃度與壽命，如果二極管在制造過(guò)程中工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)，硅晶圓與杜美絲之間實(shí)際沒(méi)有有效覆蓋阻擋層，在高溫焊接過(guò)程中就可能會(huì)產(chǎn)生銅遷移，設(shè)計(jì)必須保證硅晶圓與銅引線之間形成有效阻隔層，隔絕銅原子遷移與Si發(fā)生反應(yīng)，銅遷移產(chǎn)生原理及發(fā)生反應(yīng)過(guò)程如圖1所示，Si可以和很多金屬形成化合物，二極管晶圓焊接實(shí)際使用是目前最通用的杜美絲(銅引線)，當(dāng)銅因?yàn)槭艿礁邷睾附踊蚴歉邷丨h(huán)境時(shí)易產(chǎn)生銅原子遷移，如果二極管工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有對(duì)銅與硅晶圓之間采取有效的阻隔，在高溫環(huán)境下銅原子會(huì)產(chǎn)生遷移，并從3位置溝道侵入到Si晶圓表面，并與Si發(fā)生反應(yīng)生成硅酮化合物(硅化銅)Cu3Si、Cu4Si。硅化銅性能差電阻率高，會(huì)導(dǎo)致二極管漏電流增大(原極與漏極淺結(jié)處產(chǎn)生漏電流)，晶元與杜美絲結(jié)合力大幅度下降。

2 快恢復(fù)二極管應(yīng)用電路工作過(guò)程及器件失效分析

2.1 快恢復(fù)二極管應(yīng)用電路工作過(guò)程

　　主板失效表現(xiàn)為IPM炸裂失效，經(jīng)過(guò)對(duì)失效主板進(jìn)行檢測(cè)分析及大量信息收集，確定二極管、IPM等失效集中在DCT測(cè)試工序上電瞬間，壓縮機(jī)未啟動(dòng)即出現(xiàn)失效，接下來(lái)簡(jiǎn)單分析逆變電路上電瞬間工作過(guò)程。電路工作簡(jiǎn)圖如圖2所示。

　　二極管失效集中IPM自舉電路，對(duì)IPM自舉電路工作原理及過(guò)程進(jìn)行分析，電壓自舉抬升就是利用電路自身產(chǎn)生比輸入電壓更高的電壓，實(shí)質(zhì)是利用電容兩端電壓不能瞬間突變通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制來(lái)改變電路某點(diǎn)的瞬時(shí)電位，自舉電路一般由四部分組成，即電源供電部分、自舉電阻、自舉二極管和自舉電容。

2.2 工作過(guò)程

　　系統(tǒng)初始在上電瞬間自舉電容兩端電壓為零，如果IPM需要正常啟動(dòng)工作，驅(qū)動(dòng)電路VCC就需要正常供電，初始化時(shí)沒(méi)有電壓，在IPM工作前，需要對(duì)自舉電容進(jìn)行充電，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)足夠脈沖數(shù)量，精確控制IGBT開通，將電容兩端電壓抬升至目標(biāo)電壓，具體工作過(guò)程為：在上電瞬間需要對(duì)自舉電容進(jìn)行充電，下橋臂的IGBT開通將對(duì)應(yīng)相輸出電壓拉低到地，電源通過(guò)自舉電阻、自舉二極管對(duì)電容進(jìn)行充電。

　　當(dāng)上橋IGBT開通時(shí)，輸出電壓再次升至母線電壓水平。電容兩端電壓因不能突變，兩端電壓仍保持在供電電壓水平，同時(shí)給IGBT驅(qū)動(dòng)提供電壓。自舉二極管反向截止，將弱電電源部分與母線電壓有效隔離，避免強(qiáng)電導(dǎo)入弱電擊穿電路器件，以上是單個(gè)循環(huán)，后續(xù)周而復(fù)始進(jìn)行。

　　電路分析結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)IPM自舉電路初始上電工作瞬間工作原理及工作過(guò)程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在電路開始工作之前系統(tǒng)初始化階段，下橋IGBT開啟自舉電容充電過(guò)程二極管承受電壓最小，二極管不會(huì)存在過(guò)壓失效可能，上橋IGBT開啟過(guò)程二極管此時(shí)起到強(qiáng)弱電的有效隔離，兩端承受電壓最大，除IPM外為此電路承受電壓沖擊頻率最大器件，如果器件因各種因素導(dǎo)致反向耐壓偏低極易出現(xiàn)器件反向耐壓不足擊穿失效。導(dǎo)致內(nèi)部IGBT開通異常急劇發(fā)熱炸裂，所以經(jīng)過(guò)對(duì)失效主板分析及器件應(yīng)用電路分析判斷，二極管異常導(dǎo)致炸板，經(jīng)過(guò)實(shí)際模擬驗(yàn)證二極管耐壓偏低確實(shí)可以導(dǎo)致模塊炸失效，與下線故障現(xiàn)象一致。

2.3 二極管X光透射、電鏡掃描分析

　　經(jīng)過(guò)對(duì)失效二極管進(jìn)行X光透射分析，二極管晶元與杜美絲之間焊接部分有焊料融化外延跡象，先燒裂后破損。是融化硅向外延升，使用電鏡掃描可以看到有釬料融化跡象，二極管X光透射與電鏡掃描分析圖片如圖3所示。

2.4 開封解析

　　二極管失效經(jīng)過(guò)分析一直是機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致失效，生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題，后采取大比例對(duì)異常批次二極管進(jìn)行全檢，來(lái)料全檢發(fā)現(xiàn)多單二極管反向漏電流嚴(yán)重超標(biāo)，實(shí)測(cè)值在1000MA以上，二極管全檢異常品未進(jìn)行強(qiáng)電測(cè)試，對(duì)全檢漏電流超標(biāo)二極管進(jìn)行開封解析同樣存在晶元裂紋，將二極管寄給安森美分析確認(rèn)晶圓同樣有裂紋，開封解析及電鏡掃描圖如圖4所示。

2.5 二極管晶圓裂紋產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力影響分析

　　排查二極管自插環(huán)節(jié)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，二極管插裝后引腳存在嚴(yán)重的應(yīng)力，兩邊引腳嚴(yán)重變形。有內(nèi)應(yīng)力損傷問(wèn)題，一般設(shè)計(jì)要求建議打點(diǎn)位置中心點(diǎn)到元件本體側(cè)面的距離在1.5～2倍的D(本體直徑)，實(shí)際主板引腳跨距是1:1的尺寸。一般二極管引線跨距設(shè)計(jì)要求，引線直徑在0.7-0.8，彎腳點(diǎn)離本體距離最小要在3.5左右，下線機(jī)型集中在使用了PCB 37002488的機(jī)型上面，失效位置集中在IPM(D18-D20)當(dāng)中，而在開關(guān)電源電路D701當(dāng)中該二極管失效較少;根據(jù)對(duì)PCB板圖紙的排查，同一款PCB：IPM(D18-D20)間距為10.16mm,而電源電路D701卻為13.6mm。

　　按照IPM(D18-D20)間距為10.16mm，達(dá)不到此要求，若是彎角時(shí)輕微受力再經(jīng)過(guò)波峰焊的作用更容易出問(wèn)題了;分析判定，部分PCB 35030124二極管插裝間距設(shè)計(jì)不符合廠家推薦的插裝間距要求，也不符合我司標(biāo)準(zhǔn)封裝庫(kù)35030124 13.5mm要求。

　　二極管插裝前剪腳沒(méi)有固定引腳進(jìn)行成型，導(dǎo)致二極管插裝后左右引腳成型不良，實(shí)際設(shè)備無(wú)法保證，存在應(yīng)力隱患。

　　二極管應(yīng)用PCB板設(shè)計(jì)引腳之間插裝跨距設(shè)計(jì)不合格要求，跨距偏小，導(dǎo)致自插受力隱患大。

3 影響二極管高溫銅遷移產(chǎn)生因素分析

3.1 溫度

　　銅產(chǎn)生銅原子并產(chǎn)生遷移溫度大約是從350°開始，溫度越高銅原子運(yùn)動(dòng)越活躍，遷移速率越快，受溫度影響很大，該快恢復(fù)二極管晶圓實(shí)際焊接溫度370°，存在銅原子遷移條件。焊接溫度是很重要影響因素生產(chǎn)時(shí)一定注意溫度的控制。

3.2 引線焊接材質(zhì)

　　二極管晶圓焊接使用的引線是銅材質(zhì)，銅材質(zhì)相對(duì)鋁材質(zhì)導(dǎo)熱性能好、電阻率低、熱膨脹系數(shù)小、熔點(diǎn)高。但是使用銅材質(zhì)引線就避免不了銅原子產(chǎn)生及遷移。

3.3 硅晶圓表面保護(hù)阻隔層覆蓋不到位

　　二極管晶圓表面未形成有效的保護(hù)阻隔層，設(shè)計(jì)應(yīng)保證晶圓表面特別是邊緣位置必須有效覆蓋防止出現(xiàn)晶圓邊緣位置因?yàn)榉鉁显O(shè)計(jì)、或是制造過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致硅晶圓實(shí)際沒(méi)有有效的覆蓋，為銅原子遷移與硅發(fā)生反應(yīng)提供充足條件。

4 二極管高溫銅遷移失效解決方案

　　二極管過(guò)電失效經(jīng)過(guò)分析是二極管晶圓焊接產(chǎn)生高溫銅遷移失效，防止銅遷移產(chǎn)生有效手段通過(guò)在硅與銅直接建立起有效的阻隔層，一般方法是銅引線部分使用鎳進(jìn)行鍍層，防止銅原子遷移，二極管晶圓表面形成有效保護(hù)層，可以有效隔離遷移過(guò)來(lái)銅原子，避免產(chǎn)生還原化學(xué)反應(yīng)。銅硅之間增加活性差的難溶金屬SiN、Ta、Ti等。

　　經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最終確定銅遷移整改方案，具體整改方案如下。

4.1 改善晶圓的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　有效封住晶圓上的裸漏部分溝道，延長(zhǎng)覆蓋長(zhǎng)度，即使有銅遷移，也不會(huì)流到硅表面，從而杜絕生成硅化銅。在晶片表面金屬層增加覆蓋面到 45μm 從而加強(qiáng)二極管抗壓能力。 整改方案如圖5所示。

4.2 增加銅引線阻隔防護(hù)層

　　二極管的引腳增加NI層，使在焊接過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生銅原子遷移。并起到隔熱作用。

4.3 PCB跨距整改結(jié)果

　　安森美35030124二極管MUR180E出現(xiàn)炸板異常問(wèn)題，經(jīng)過(guò)排查分析發(fā)現(xiàn)二極管位置引腳跨距存在差異，會(huì)增加器件受力可能， 通過(guò)排查分析評(píng)估后將D18、D19、D20封裝焊盤間距進(jìn)行優(yōu)化，將間距由10.16mm更改為13.5mm。

5 結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)將大量過(guò)程失效及全檢失效二極管分析，確定全檢制品也有存在晶元有裂紋異常。最終確定二極管失效是廠家生產(chǎn)過(guò)程晶元與杜美絲焊接工序存在問(wèn)題，引腳(銅質(zhì))上的銅在370度的焊接溫度下(在代工廠壓接過(guò)程中)，銅原子遷移到晶圓表面，并生成硅化銅，從而導(dǎo)致器件漏電流增大。導(dǎo)致失效的原因是“銅遷移”，由于產(chǎn)生銅遷移導(dǎo)致晶元與杜美絲結(jié)合力大幅度下降，生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)晶元受外在機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，后在制造使用過(guò)程再次自插剪腳受力導(dǎo)致裂紋程度加重，在整機(jī)通電后因器件電性能衰降反向耐壓不足導(dǎo)致二極管擊穿失效，強(qiáng)電直接引入弱電導(dǎo)致模塊與其他器件過(guò)電擊穿失效炸裂。針對(duì)二極管銅遷移采取對(duì)晶圓表面增加延長(zhǎng)覆蓋面積至45μm及引線鍍鎳有效解決銅原子遷移與硅發(fā)生還原反應(yīng)，解決二極管高溫銅遷移失效不良。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第51頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。