一種提高晶片抗電過應力能力的方法

2023-06-11 18:54:26 2

專利名稱：一種提高晶片抗電過應力能力的方法
技術領域：
本發明屬於半導體晶片封裝測試技術領域，具體涉及一種提高晶片抗電過應力能力的 方法。 技術背景電過應力是指所有的過度電性應力。當電應力超過晶片最大極限後，器件功能將會減 弱或損壞，是器件使用過程中最常見的失效形式之一，往往發生在大電流或高電壓下的工 作環境下，尤其是易於發生在半導體功率器件([l] Chih Yao Huang， Solid-State Electronics, 2005,49:1925)。該失效形式因無法預測、破壞性極大己成為業界難題，而 被廣泛重視和深入研究。研究重點之一就是如何改進晶片的抗電過應力能力。降低工作電壓或者減小工作電流能有效提高器件的壽命，但是這種方法在實際應用中 有許多限制或不適用。因為隨著半導體技術的不斷發展，器件在向著小尺寸方向發展。盡 管小尺寸器件的工作電壓或電流降低了，但伴隨著器件特徵尺寸的減小，與大尺寸器件相 比，小尺寸器件在正常工作條件下的電場強度卻更高。因此小尺寸器件更加容易發生電過 應力損傷而造成失效。通過改變晶片的柵極材料也能有效的提高其抗電過應力能力，但是這種方法可能引起 材料的其他性能如力學性能的改變，如新的柵極材料與襯底之間的應力失配問題或者漏電流等([2] S.Y. Tan, Microelectronics, 2007,38:783)，因而新型的柵極材料還在不斷的研究過程中。對晶片的焊接工藝進行優化能很好的提高其抗電過應力的能力，也是現在研究得多 的、效果最好的提高器件抗電過應力能力的方法。比如對晶片焊接工藝所使用的焊膏成分 進行優化，可以有效的減少焊料層中的空洞，因為焊料空洞是導致電過應力的主要因素之 一 ([3] CHANG J， WANG L， DIRK J， Welding Journal, 2006,85:63)。但此方法不能完 全的避免焊料空洞。現在用於提高晶片抗電過應力的處理技術研究的重點在於如何實現工 藝簡單、經濟、效果顯著又無汙染的處理技術。發明內容本發明的目的在於提出一種工藝簡單、經濟有效、無汙染的提高晶片抗電過應力能力 的方法。本發明提出的提高晶片抗電過應力能力的方法，是優化晶片焊接溫度時間曲線，其具 體步驟為；提高最高溫度到363-365°C，延長焊料熔融時間到38-40分鐘，降低焊後降溫 速率到8. 5-9. (TC/秒，得到無焊料空洞的器件。附圖l為優化後的焊接溫度-時間曲線。對本發明方法焊接效果的分板比較如下選取(如60個)樣品分為兩組，標記為A 組、B組，使用優化前、後的溫度-時間曲線分別對這兩組樣品進行晶片焊接試驗。將含有 焊膏的引線框架和晶片置於回流爐中，通過高純氮氣除氧後，開始加熱，進行焊接。然後，比較所得到的兩組樣品的焊料空洞含量，利用X-Ray測量器件焊料空洞含量， 其結果如圖2所示。結果表明，按焊接工藝優化前的溫度-時間曲線進行焊接，器件焊料 的空洞含量在1.4%-6.6%之間(根據設備誤差，誤差範圍為±0.1%)。有的空洞含量甚至已 經接近規範的最大允許值(10%)。而按焊接工藝優化後的溫度時間曲線進行焊接，器件焊 料空洞含量為零。開式感應負載是考察器件抗電過應力能力的參數，對經過上述方法處理後的兩組樣品 進行開式感應負載測試，具體參數見實施l，結果如圖3所示。結果表明，優化後的晶片 發生電過應力的能量由優化前的279.3mJ提高到307.6mJ,優化後的晶片發生電過應力的 電流由優化前的41.8A提高到46.1A。以上結果表明，採用優化的溫度-時間曲線進行晶片 焊接，可以有效的減少焊料層的空洞，晶片的抗電過應力的能力得到了明顯的提卨。


圖1為優化後的晶片焊接溫度-時間曲線。圖2為利用X-Ray測量器件焊料空洞含量所得的圖，其中圖2(a)為A組的器件空洞含 量測量圖，圖2(b)為B組的器件空洞含量測量圖。圖3為器件抗電過應力能力的對比圖，其中圖3 (a)為器件發生電過應力時的能量對 比，圖3 (b)為器件發生電過應力時的電流對比，其中實心點線對應A組樣品，三角形點 線對應B組樣品具體實施方式
對功率晶片按發明內容所述步驟進行處理隨機選取60個待焊接的功率晶片，分為兩組，每組30個樣品。分別對這兩組樣品進行晶片焯接試驗，其中一組採用未優化的溫 度-時間曲線進行晶片焊接，標記為A組；另一組採用己優化的溫度-時間曲線進行晶片焊 接，標記為B組。附圖1為優化後的焊接溫度-時間曲線，曲線的最高溫度、焊料熔融時 間和焊後降溫速率分別為363.3'C、 38分鐘和8.95'C/秒。而優化前的焊接溫度-時間曲線 的最高溫度、焊料熔融時間和焊後降溫速率分別為360.9'C、 37分鐘和9.82'C/秒。優化後 的焊接溫度-時間曲線有三大變化最高溫度提高，熔融時間延長，焊後降溫速率降低。提高溫度，可增加晶片下焊膏的流動性，有利於焊膏內空氣排出晶片焊接區域；延長熔融 時間，有利於焊膏內空氣的完全排出；降低焊後降溫速率，有利於保護晶片，減少晶片產 生微裂紋的可能性。再比較所得到的兩組樣品的焊料空洞含量。每組隨機抽取5個樣品，利用X-Ray測量 器件焊料空洞含量，其結果如圖2所示。結果表明，在焊接工藝優化前器件焊料的空洞含 量在1.4%-6.6%之間(根據設備誤差，誤差範圍為±0.1%)。採用優化前的溫度-時間曲線進 行晶片焊接，器件含有含量不一的空洞，有的空洞含量甚至己經接近規範的最大允許值 (10%)。而採用優化後的溫度-時間曲線進行晶片焊接的器件無一包含有焊料空洞，優化效 果非常顯著。對經過上述方法處理後的兩組樣品進行開式感應負載測試。它的測試原理是，對器件 施加柵壓使電路導通後，外部電源對電感器充電，直到電感器的電流達到預期測試數值， 這是電感器的充電階段；隨後關斷器件柵壓，電感器對器件反向放電，這是電感器的放電 階段。電感器對器件反向放電，使器件進入雪崩狀態，從而可以考察器件抗電過應力的能 力。測試條件為漏極電壓VDD=23V，柵源極間電壓Ves=10V，電感L=0.3mH。對它們 發生電過應力時的能量與電流進行比較，所得結果如圖3所示。結果表明，含有焊料空洞 的器件發生電過應力時的能量與電流的平均值分別為279.3mJ和41.8A，而無焊料空洞的 器件發生電過應力時的能量與電流的平均值分別為307.6mJ和46.1A。由此可知無焊料空 洞的器件需要更高的能量與更大的電流才會發生電過應力失效，因此無焊料空洞器件的抗 電過應力能力高於含有焊料空洞的器件。以上結果表明，採用優化的溫度-時間曲線進行芯 片焊接，可以有效的減少焊料層的空洞，晶片的抗電過應力的能力得到了明顯的提高。
權利要求
1.一種提高晶片抗電過應力能力的方法，其特徵在於具體步驟為提高焊接最高溫度到363-365℃，延長焊料熔融時間到38-40分鐘，降低焊後降溫速率到8.5-9.0℃/秒，得到無焊料空洞的器件。
全文摘要
本發明屬於半導體晶片封裝測試技術領域，具體為一種提高晶片抗電過應力能力的方法。本發明採用優化的晶片焊接溫度-時間曲線，具體而言是提高焊接最高溫度到363-365℃，延長焊料熔融時間到38-40分鐘，降低焊後降溫速率到8.5-9.0℃，得到無焊料空洞器件.採用開式感應負載測試方法，比較晶片焊接工藝優化前、後其抗電過應力的能力。結果表明，本發明方法能有效提高晶片抗電過應力的能力，具有重要的應用價值。
文檔編號H01L21/60GK101241867SQ200810034540
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月13日 優先權日2008年3月13日
發明者俞宏坤, 吳頂和, 彭雅芳, 強 方, 邵雪峰 申請人:復旦大學