探讨采用绿色塑料封装的功率MOSFET性能

摘要

      绿色指令推动半导体厂家在其微电子产品封装中摒弃氧化锑、阻燃剂及卤代化合物之类的环境有害物质，然而人们可能担心，绿色封装中的新化学材料有可能影响半导体器件的性能。为此，我们通过热压应力测试对采用绿色和非绿色环氧模塑料 (EMC) 封装的功率晶体管的性能进行了评测。实验表明，绿色器件的电气和物理性能的确优于非绿色器件。我们的研究结果表明，较之于采用绿色 EMC的器件，采用非绿色EMC封装器件的栅极－源极漏电流 (IGSS) 更高，而漏极－源极导通电阻 (RDS[on]) 也更大。非绿色器件之所以电气性能不稳定，是因为其中的阻燃材料会释放较多的溴化物离子。在潮湿的环境下，这种溴化物离子会形成电解液，导致腐蚀。我们发现非绿色器件中的铜焊球极易受电解液腐蚀，腐蚀先从焊球周围开始，然后逐渐扩展到焊球基底。这些腐蚀性离子使铜焊球下的铝焊盘加速溶解，从而在金属间化合物层和焊盘之间形成隔离间隙，使焊盘脱离金属间化合物层。而且，这个间隙在热压应力作用下逐渐变大，导致RDS[on]　阻值随时间加大。相反地，绿色器件不易因腐蚀造成焊点损坏。因此，温度绿色器件即使在高湿度、高热压情况下，其RDS[on]  也更稳定，而漏电流IGSS更小。

引言

      欧盟部长理事会已经执行RoHS指令 (在电子电气设备中限制使用某些有毒有害物质指令) 以及WEEE指令 (报废电气电子设备指令)。RoHS指令于2006年7月1日生效，禁止在西欧销售的电子产品中使用6种有害物质 (见表1)；WEEE指令则规定所有在欧洲销售电子产品的厂家需为其2005年8月13日之后投放市场的产品建立报废产品的收集和回收体系。

表1  RoHS 有害物质限制标准

      “绿色计划”则是一个面向客户的环保计划，旨在促进供应商在产品中使用环保材料。这项计划与无铅倡议一样，属于自愿性质，目前还不是法定强制性的。支持“绿色计划”的客户正在推动其供应商提供绿色替代产品，而许多电子行业的供应商正在规划其产品发展蓝图，要求其产品中只使用绿色材料，作为对全球环保承诺的一种示范措施。“绿色计划”是对RoHS 指令精神的强化补充，要求全面消除对环境有害的化合物(见表2)。

表2  完全的绿色标准包括表1规定的所有限制要求，并增加对表2所列物质的限制

      飞兆半导体一直致力于减少产品中的非环保物质以保护环境，其绿色封装标准是无铅、无卤代化合物和氧化锑。目前飞兆半导体生产的所有产品均符合RoHS标准，并正在向实现“全绿色”迈进。表3所示为功率MOSFET产品中采用的绿色EMC成分。

表3  非绿色与绿色EMC的成分比较

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实验方法学

      本实验采用一台波形记录器对众多使用绿色和非绿色EMC封装的铜键合线MOSFET器件进行电气测试，然后对这些器件施加热压(ACLV)应力。施加ACLV是为了评测这些改变材料的新封装。该实验采用了较大强度的加速试验法，即被测器件处于冷凝环境，压力205kPa、湿度100%、温度121℃。这是为了加快湿气向封装内渗透，以便暴露器件的缺陷，如脱层和金属腐蚀。应力施加时间从通常的96小时延长到192、288、384、480、576、672、768及864小时。这是为了研究MOSFET器件在长时间ACLV应力下的电气性能及物理性质的变化。在每个应力施加时间点，都从气室中取出一些器件，烘干一晚后，重新测试其电气特性。接下来，便使用磨削抛光机将器件横向剖开，或用酸蚀法打开。然后，使用可变应力场发射式扫描电子显微镜检查器件裸片、键合线及金属间微结构。此外，还使用色散X射线仪(EDX)进行成分分析。

实验结果与讨论

      可评测和比较非绿色和绿色EMC材料对功率MOSFET断电时特性(IGSS、IDSS、BVDSS)的影响。

      模塑化合物中的杂质离子(包括阴离子和阳离子)会严重削弱MOSFET器件的电气指标。这种削弱受湿度和温度影响，在带电载流子流动性增加时进一步加剧。在高温时，非绿色EMC的溴化阻燃材料中会以溴甲烷形式释放出溴离子。这些溴离子会使MOSFET源极和栅极间的漏电流增大，而这已在非绿色器件上得到证实，非绿色器件在承受ACLV应力期间表现出比绿色器件更高的IGSS电流漂移，如图1所示。

图1  绿色和非绿色器件IGSS(栅极-源极漏电流)漂移随施压时长的变化

图2  不同ACLV时长下绿色和非绿色器件的IDSS(零压栅极-漏极电流)

      如果EMC中存在钠和钾离子，MOSFET性能会进一步恶化，有可能在氧化物中形成逆温层，进而造成漏电。不过，杂质离子对IDSS(见图2)和BVDSS(见图3)的影响无关紧要。

图3  不同ACLV时长下绿色和非绿色器件的BVDSS(漏极-源极击穿电压)[page]

      湿度增加会加快离子杂质的流动，并造成MOSFET漏电流。大多数塑封材料都会渗透潮气。填充材料会影响塑封的抗潮能力，这是因为填充材料延长了水分扩散的通道，从而降低了水分扩散速率。绿色EMC的填充材料含量(86.0%)比非绿色EMC的含量(78.6%)高。由于填充密度高，湿气到达裸片表面需要的时间肯定更长。这也许是绿色器件中IGSS漂移相对较小的原因之一。

      此外，填充材料也会引起与器件金属接触的模塑化合物腐蚀。存在于固化的模塑化合物中的离子或因环境恶化产生的离子能够产生电流，从而助长腐蚀。而脱水导电测试表明，经填充的环氧树脂室温导电率为0.5~2.8(Ωcm)-1×10-4，70℃时为7.8~9.1(Ωcm)-1×10-4。导电率的增加是因为填充材料具有释放离子的作用。

      在铜键合焊球中，铝键合焊盘会与铜-铝金属间化合物形成一个原电池，并以周围的潮湿环境为电解液。这种电偶会促成铝的氧化，加快腐蚀过程。非绿色EMC的溴化阻燃材料高温时释放出的溴亦会加快腐蚀。溴与其它离子(如氯化物和氟化物)形成电解液。这种电解液不会腐蚀MOSFET裸片的整个源极金属，而是使键合焊球的金属间微结构劣化。这是因为大多数飞兆半导体分立功率MOSFET器件都在源极金属中增加了钛，可以作为防腐屏障。此外，EMC-铝焊盘与铜-铝金属间化合物和铝焊盘间的界面不同，本身并没有电偶的作用。键合焊球的腐蚀不直接导致失效，但会增加其键合电阻。

图4  经ACLV应力后用酸蚀法剖开的非绿色MOSFET器件

      图4所示为接受864小时的ACLV应力后，用酸蚀法剖开的非绿色MOSFET器件的照片(放大17倍)。非绿色EMC并未在整个裸片表面造成电解腐蚀，而是腐蚀了键合焊球下面的金属。

      在形成的原电池中，铝的还原电势(-1.66V)比铝-铜的(2.00V) 低。因此，铝焊盘就成为被腐蚀的阳极，而铝-铜金属间就成为一个受保护的阴极。在阳极，铝金属出现如下的分解：

Al→Al3+ +3e-

Al的腐蚀产物为Al(OH)3：

Al3++3H2O→Al(OH)3 + 3H+

在阴极，水分子被还原为氢氧离子：

2H2O+2e-→H2+2OH-

      EDX分析发现，刚键合的铜焊球与铝键合焊盘形成了CuAl2金属间相，CuAl2为四方晶体，呈浅黄色，电阻率为7~8mΩ·cm。在121℃的ACLV温度较低，不足以引起铝到铜间的互扩散。因此，施加ACLV应力对金属间层的生长可忽略不计。甚至在施压864小时后，金属间相和厚度都保持不变。[page]

      据观察显示，在非绿色器件中，施加ACLV 96小时后开始发生腐蚀，此时带腐蚀离子的电解液从焊球周边间隙扩散进键合线。电解液沿焊球-焊盘界面流动，引发电腐蚀，造成铝焊盘溶解。结果，在CuAl2金属间化合物微结构下形成裂缝，使铜焊球与铝键合焊盘脱开，这引起RDS(on)值从3.4mΩ(未施加ACLV时) 增加到4.0mΩ(施加ACLV 96小时后)。裸片附着脱层也是造成RDS(on)漂移的另一个因素。然而，已证明该因素不是实质性的。此后继续施加应力，脱开间隙会增大，施压864小时后，最大间隙尺寸达到0.5µm，而96小时之际仅为0.2µm。而且，腐蚀电解液的扩散距离随应力施加时长成正比增加。这已通过观察施压672小时后的铝溶解情况以及由此在焊球基底形成的间隙得到证实，如图5所示。

图5  各焊球中心基底的特写(放大15000倍)。从图中可看出，672小时热压后，电解腐蚀已经向焊球基底扩散。[page]

      腐蚀机制基本上可分为四个阶段。第一阶段，溴化阻燃材料中释放的溴离子形成电解液；第二阶段，电解液通过焊球周边的间隙扩散到键合线；第三阶段，以铝为阳极，铝-铜为阴极，溴为电解液的电化学电池中发生氧化还原反应；第四阶段，铝焊盘被溶解，MOSFET裸片的金属间化合物微结构和源极金属之间形成间隙，导致焊球和焊盘间接触电阻增大，从而最终造成MOSFET器件的RDS(on) 随热压施加时长而增大。

图6  绿色器件焊球右沿的特写(放大15000倍)。从图中看出，绿色器件能够抵抗电解腐蚀。因此，即使长时间施加ACLV应力，焊球和焊盘间也没有形成间隙。

      对绿色器件来说，电解腐蚀并不明显，并未出现铝焊盘溶解的情况，铜焊球和铝焊盘之间也没出现间隙。即使在施加864小时的ACLV应力后，铜-铝的接触仍然很好，如图6所示。正是这种卓越的键合性质，使绿色器件的RDS(on)在长时间的ACLV应力下仍然保持稳定(ACLV前为3.4mΩ，864小时ACLV后也仅为3.5mΩ)。相反地，非绿色器件的RDS(on)却随ACLV时长波动，而且864小时ACLV时，达到4.7mΩ，几乎接近最大容许极限(4.9mΩ)。

结语

      飞兆半导体公司的大多数功率MOSFET都进行了优化，栅极电荷低，RDS(on)小，开关速度快。绿色EMC不仅符合绿色标准，而且在键合可靠性和电气稳定性方面更为出色。因此，就满足功率晶体管的上述要求而言，绿色EMC较之于非绿色EMC是更合适的封装材料。