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綠色指令推動半導體廠家在其微電子產品封裝中摒棄氧化銻、阻燃劑及鹵代化合物之類的環境有害物質，然而人們可能擔心，綠色封裝中的新化學材料有可能影響半導體器件的性能。為此，我們通過熱壓應力測試對采用綠色和非綠色環氧模塑料 (EMC) 封裝的功率晶體管的性能進行了評測。實驗表明，綠色器件的電氣和物理性能的確優于非綠色器件。我們的研究結果表明，較之于采用綠色 EMC的器件，采用非綠色EMC封裝器件的柵極－源極漏電流 (IGSS) 更高，而漏極－源極導通電阻 (RDS[on]) 也更大。非綠色器件之所以電氣性能不穩定，是因為其中的阻燃材料會釋放較多的溴化物離子。在潮濕的環境下，這種溴化物離子會形成電解液，導致腐蝕。我們發現非綠色器件中的銅焊球極易受電解液腐蝕，腐蝕先從焊球周圍開始，然后逐漸擴展到焊球基底。這些腐蝕性離子使銅焊球下的鋁焊盤加速溶解，從而在金屬間化合物層和焊盤之間形成隔離間隙，使焊盤脫離金屬間化合物層。而且，這個間隙在熱壓應力作用下逐漸變大，導致RDS[on] 阻值隨時間加大。相反地，綠色器件不易因腐蝕造成焊點損壞。因此，溫度綠色器件即使在高濕度、高熱壓情況下，其RDS[on] 也更穩定，而漏電流IGSS更小。 引言 歐盟部長理事會已經執行RoHS指令 (在電子電氣設備中限制使用某些有毒有害物質指令) 以及WEEE指令 (報廢電氣電子設備指令)。RoHS指令于2006年7月1日生效，禁止在西歐銷售的電子產品中使用6種有害物質 (見表1)；WEEE指令則規定所有在歐洲銷售電子產品的廠家需為其2005年8月13日之后投放市場的產品建立報廢產品的收集和回收體系。 表1RoHS 有害物質限制標準 “綠色計劃”則是一個面向客戶的環保計劃，旨在促進供應商在產品中使用環保材料。這項計劃與無鉛倡議一樣，屬于自愿性質，目前還不是法定強制性的。支持“綠色計劃”的客戶正在推動其供應商提供綠色替代產品，而許多電子行業的供應商正在規劃其產品發展藍圖，要求其產品中只使用綠色材料，作為對全球環保承諾的一種示范措施。“綠色計劃”是對RoHS 指令精神的強化補充，要求全面消除對環境有害的化合物(見表2)。 表2 完全的綠色標準包括表1規定的所有限制要求，并增加對表2所列物質的限制 飛兆半導體一直致力于減少產品中的非環保物質以保護環境，其綠色封裝標準是無鉛、無鹵代化合物和氧化銻。目前飛兆半導體生產的所有產品均符合RoHS標準，并正在向實現“全綠色”邁進。表3所示為功率MOSFET產品中采用的綠色EMC成分。 表3 非綠色與綠色EMC的成分比較 實驗方法學 本實驗采用一臺波形記錄器對眾多使用綠色和非綠色EMC封裝的銅鍵合線MOSFET器件進行電氣測試，然后對這些器件施加熱壓(ACLV)應力。施加ACLV是為了評測這些改變材料的新封裝。該實驗采用了較大強度的加速試驗法，即被測器件處于冷凝環境，壓力205kPa、濕度100%、溫度121℃。這是為了加快濕氣向封裝內滲透，以便暴露器件的缺陷，如脫層和金屬腐蝕。應力施加時間從通常的96小時延長到192、288、384、480、576、672、768及864小時。這是為了研究MOSFET器件在長時間ACLV應力下的電氣性能及物理性質的變化。在每個應力施加時間點，都從氣室中取出一些器件，烘干一晚后，重新測試其電氣特性。接下來，便使用磨削拋光機將器件橫向剖開，或用酸蝕法打開。然后，使用可變應力場發射式掃描電子顯微鏡檢查器件裸片、鍵合線及金屬間微結構。此外，還使用色散X射線儀(EDX)進行成分分析。 實驗結果與討論 可評測和比較非綠色和綠色EMC材料對功率MOSFET斷電時特性(IGSS、IDSS、BVDSS)的影響。 模塑化合物中的雜質離子(包括陰離子和陽離子)會嚴重削弱MOSFET器件的電氣指標。這種削弱受濕度和溫度影響，在帶電載流子流動性增加時進一步加劇。在高溫時，非綠色EMC的溴化阻燃材料中會以溴甲烷形式釋放出溴離子。這些溴離子會使MOSFET源極和柵極間的漏電流增大，而這已在非綠色器件上得到證實，非綠色器件在承受ACLV應力期間表現出比綠色器件更高的IGSS電流漂移，如圖1所示。 圖1 綠色和非綠色器件IGSS(柵極-源極漏電流)漂移隨施壓時長的變化 圖2不同ACLV時長下綠色和非綠色器件的IDSS(零壓柵極-漏極電流) 如果EMC中存在鈉和鉀離子，MOSFET性能會進一步惡化，有可能在氧化物中形成逆溫層，進而造成漏電。不過，雜質離子對IDSS(見圖2)和BVDSS(見圖3)的影響無關緊要。 圖3 不同ACLV時長下綠色和非綠色器件的BVDSS(漏極-源極擊穿電壓) 濕度增加會加快離子雜質的流動，并造成MOSFET漏電流。大多數塑封材料都會滲透潮氣。填充材料會影響塑封的抗潮能力，這是因為填充材料延長了水分擴散的通道，從而降低了水分擴散速率。綠色EMC的填充材料含量(86.0%)比非綠色EMC的含量(78.6%)高。由于填充密度高，濕氣到達裸片表面需要的時間肯定更長。這也許是綠色器件中IGSS漂移相對較小的原因之一。 此外，填充材料也會引起與器件金屬接觸的模塑化合物腐蝕。存在于固化的模塑化合物中的離子或因環境惡化產生的離子能夠產生電流，從而助長腐蝕。而脫水導電測試表明，經填充的環氧樹脂室溫導電率為0.5"2.8(Ωcm)-1×10-4，70℃時為7.8"9.1(Ωcm)-1×10-4。導電率的增加是因為填充材料具有釋放離子的作用。 在銅鍵合焊球中，鋁鍵合焊盤會與銅-鋁金屬間化合物形成一個原電池，并以周圍的潮濕環境為電解液。這種電偶會促成鋁的氧化，加快腐蝕過程。非綠色EMC的溴化阻燃材料高溫時釋放出的溴亦會加快腐蝕。溴與其它離子(如氯化物和氟化物)形成電解液。這種電解液不會腐蝕MOSFET裸片的整個源極金屬，而是使鍵合焊球的金屬間微結構劣化。這是因為大多數飛兆半導體分立功率MOSFET器件都在源極金屬中增加了鈦，可以作為防腐屏障。此外，EMC-鋁焊盤與銅-鋁金屬間化合物和鋁焊盤間的界面不同，本身并沒有電偶的作用。鍵合焊球的腐蝕不直接導致失效，但會增加其鍵合電阻。 圖4 經ACLV應力后用酸蝕法剖開的非綠色MOSFET器件 圖4所示為接受864小時的ACLV應力后，用酸蝕法剖開的非綠色MOSFET器件的照片(放大17倍)。非綠色EMC并未在整個裸片表面造成電解腐蝕，而是腐蝕了鍵合焊球下面的金屬。 在形成的原電池中，鋁的還原電勢(-1.66V)比鋁-銅的(2.00V) 低。因此，鋁焊盤就成為被腐蝕的陽極，而鋁-銅金屬間就成為一個受保護的陰極。在陽極，鋁金屬出現如下的分解： Al→Al3+ +3e- Al的腐蝕產物為Al(OH)3： Al3++3H2O→Al(OH)3 + 3H+ 在陰極，水分子被還原為氫氧離子： 2H2O+2e-→H2+2OH- EDX分析發現，剛鍵合的銅焊球與鋁鍵合焊盤形成了CuAl2金屬間相，CuAl2為四方晶體，呈淺黃色，電阻率為7"8mΩ·cm。在121℃的ACLV溫度較低，不足以引起鋁到銅間的互擴散。因此，施加ACLV應力對金屬間層的生長可忽略不計。甚至在施壓864小時后，金屬間相和厚度都保持不變。 據觀察顯示，在非綠色器件中，施加ACLV 96小時后開始發生腐蝕，此時帶腐蝕離子的電解液從焊球周邊間隙擴散進鍵合線。電解液沿焊球-焊盤界面流動，引發電腐蝕，造成鋁焊盤溶解。結果，在CuAl2金屬間化合物微結構下形成裂縫，使銅焊球與鋁鍵合焊盤脫開，這引起RDS(on)值從3.4mΩ(未施加ACLV時) 增加到4.0mΩ(施加ACLV 96小時后)。裸片附著脫層也是造成RDS(on)漂移的另一個因素。然而，已證明該因素不是實質性的。此后繼續施加應力，脫開間隙會增大，施壓864小時后，最大間隙尺寸達到0.5μm，而96小時之際僅為0.2μm。而且，腐蝕電解液的擴散距離隨應力施加時長成正比增加。這已通過觀察施壓672小時后的鋁溶解情況以及由此在焊球基底形成的間隙得到證實，如圖5所示。 圖5 各焊球中心基底的特寫(放大15000倍)。從圖中可看出，672小時熱壓后，電解腐蝕已經向焊球基底擴散。 腐蝕機制基本上可分為四個階段。第一階段，溴化阻燃材料中釋放的溴離子形成電解液；第二階段，電解液通過焊球周邊的間隙擴散到鍵合線；第三階段，以鋁為陽極，鋁-銅為陰極，溴為電解液的電化學電池中發生氧化還原反應；第四階段，鋁焊盤被溶解，MOSFET裸片的金屬間化合物微結構和源極金屬之間形成間隙，導致焊球和焊盤間接觸電阻增大，從而最終造成MOSFET器件的RDS(on) 隨熱壓施加時長而增大。 圖6綠色器件焊球右沿的特寫(放大15000倍)。從圖中看出，綠色器件能夠抵抗電解腐蝕。因此，即使長時間施加ACLV應力，焊球和焊盤間也沒有形成間隙。 對綠色器件來說，電解腐蝕并不明顯，并未出現鋁焊盤溶解的情況，銅焊球和鋁焊盤之間也沒出現間隙。即使在施加864小時的ACLV應力后，銅-鋁的接觸仍然很好，如圖6所示。正是這種卓越的鍵合性質，使綠色器件的RDS(on)在長時間的ACLV應力下仍然保持穩定(ACLV前為3.4mΩ，864小時ACLV后也僅為3.5mΩ)。相反地，非綠色器件的RDS(on)卻隨ACLV時長波動，而且864小時ACLV時，達到4.7mΩ，幾乎接近最大容許極限(4.9mΩ)。 結語 飛兆半導體公司的大多數功率MOSFET都進行了優化，柵極電荷低，RDS(on)小，開關速度快。綠色EMC不僅符合綠色標準，而且在鍵合可靠性和電氣穩定性方面更為出色。因此，就滿足功率晶體管的上述要求而言，綠色EMC較之于非綠色EMC是更合適的封裝材料。 |
