功率半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)

課件目錄功率封裝的定義和種類功率封裝的基本過程和原理功率封裝的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)原理和準(zhǔn)則功率封裝的質(zhì)量控制方法和原理功率模塊封裝的仿真技術(shù)車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體封裝生產(chǎn)體系功率半導(dǎo)體的測(cè)試第三代半導(dǎo)體功率器件封裝特殊應(yīng)用場(chǎng)景的功率封裝功率封裝的定義和種類功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)領(lǐng)域可以劃分為兩大門類，即以發(fā)電、變電、輸電為代表的電力領(lǐng)域和以電源管理應(yīng)用為代表的電子領(lǐng)域。

功率半導(dǎo)體封裝主要包括三大類：TO種類有：TO220，TO251/252，TO263，TO247系列等QFN/DFN:包括MOSFET和多芯片Dr.MOS系列，大量采用Clip銅片工藝。模塊：從IPM到大功率模塊系列。功率半導(dǎo)體器件的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景

電力二極管：結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠；晶閘管：承受電壓和電流容量在所有器件中最高；MOSFET：開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題；缺點(diǎn)：電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。制約因素：耐壓，電流容量，開關(guān)的速度。IGBT：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率??；缺點(diǎn)：開關(guān)速度低于MOSFET，電壓，電流容量不及GTO。GTR：耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低；缺點(diǎn)：開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題。GTO：電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)；缺點(diǎn)：電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低。圖片來源于Yoledevelopment功率分立器件封裝的基本過程

TO系列封裝流程圖膜的選擇

藍(lán)膜通常又稱電子級(jí)膠帶，價(jià)格較低，它是一種藍(lán)色的粘性度不變的膜，相對(duì)于未經(jīng)過紫外線照射的高粘性UV膜，其粘性剝離度一般較低，對(duì)紫外線并不敏感，在（1000～3000）mN/20mm間不等，而且受溫度影響會(huì)發(fā)生殘膠；最早命名為藍(lán)膜是由于該膠膜為藍(lán)色，現(xiàn)在隨著技術(shù)的發(fā)展，也陸續(xù)出現(xiàn)了其他的顏色，而且用途也得到拓寬。UV膜和藍(lán)膜相比，UV膜較藍(lán)膜穩(wěn)定。UV膜無論在紫外線照射之前還是照射之后，UV膜的粘性度都比較穩(wěn)定，但成本較高；藍(lán)膜成本相對(duì)比較便宜，但是粘性度會(huì)隨著溫度和時(shí)間的變化而發(fā)生變化，而且容易殘膠。無論選哪種膜都有必要研究粘性的測(cè)量方法和相應(yīng)對(duì)劃片裝片的影響，得到每種膜相對(duì)應(yīng)的粘性控制區(qū)間和范圍，來指導(dǎo)生產(chǎn)和質(zhì)量控制，根據(jù)膜的特性，調(diào)整合適的粘性度，能夠提高芯片產(chǎn)業(yè)化效率。劃片方法特點(diǎn)歸納

比較項(xiàng)金剛刀切割激光切割超聲切割等離子切割切割道寬度30~80微米視光源聚焦直徑而定，一般20~40微米30~80微米可達(dá)到小于10微米崩角情況比較常見，但工藝優(yōu)化后可控非常少和金剛刀結(jié)合可有效減少崩角尺寸幾乎沒有效率碳化硅晶圓切割速度大約是硅基的1/8和金剛刀類似和金剛刀類似非?？齑蠹s是金剛刀類型的10~12倍適用晶圓硅基晶圓，碳化硅晶圓切割隱性切割方式適用于厚芯片，加裝擴(kuò)裂片后可適用于碳化硅晶圓Barewafer,Aubumpwafer,solderbumpwaferBarewafer,Aubumpwafer,solderbumpwafer設(shè)備價(jià)格適中大約是金剛刀的2~3倍大約是金剛刀類型的1.5~2倍大約是金剛刀的2~3倍技術(shù)成熟度成熟相對(duì)成熟不太成熟不太成熟主要優(yōu)點(diǎn)匯總技術(shù)設(shè)備成熟，成本較低，效率較高（硅基而言）切割質(zhì)量高，效率適中，適合碳化硅晶圓切割結(jié)合金剛刀后可以有效提升切割質(zhì)量可切割超細(xì)切割道高密度晶圓，切割質(zhì)量好，效率高主要缺點(diǎn)匯總效率低（碳化硅），有崩角，對(duì)質(zhì)量而言需要優(yōu)化和經(jīng)驗(yàn)制程設(shè)備成本較高，切割碳化硅晶圓需要額外輔助設(shè)備，效率有待提高刀片和超聲系統(tǒng)的耦合技術(shù)還有待進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備及使用成本高，技術(shù)有待市場(chǎng)驗(yàn)證兩種傳統(tǒng)的裝片方式

三點(diǎn)一線校準(zhǔn)示意圖膠聯(lián)裝片焊料裝片芯片裂紋和BLT控制

其中：框架Frame材料銅的厚度表征為“tcu”，DAP是框架基島。硅芯片Die厚度表征為“tsi”。焊料厚度DieAttachMedium表征為“tpb焊料”。在芯片X方向上的長(zhǎng)度表征為“L”。假設(shè)芯片，焊料和框架都是中心均勻,中心線CenterLine。

可見剪切應(yīng)力是一個(gè)和BLT有關(guān)的函數(shù)。當(dāng)X=L時(shí)，可求得芯片邊緣的最大應(yīng)力值，對(duì)BLT求導(dǎo)可得到極值。這里可以得到結(jié)論BLT增加時(shí)τ值減少，所以增加焊料厚度對(duì)裂紋的防止和控制有益。裝片溫度曲線和冷卻速率

前面兩個(gè)溫區(qū)是預(yù)熱，第三四個(gè)溫區(qū)是點(diǎn)焊錫絲（Dispense），第四五溫區(qū)是用來裝片的(Bonding)，六七八溫區(qū)是用來冷卻。冷卻速率以攝氏度/秒來表征。冷卻過快會(huì)造成芯片受熱應(yīng)力過大，促進(jìn)芯片微裂紋的擴(kuò)展，嚴(yán)重情況直接碎裂，打個(gè)比方，在冬天給厚的玻璃杯倒熱開水，不巧的情況下杯子會(huì)直接裂開。一樣的道理，硅是脆性材料，過冷會(huì)施加額外的應(yīng)力，造成開裂或者產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致可靠性失效。計(jì)算表明15攝氏度每秒的冷卻速度對(duì)比5攝氏度每秒的冷卻速度，主應(yīng)力最多可高達(dá)14%。冷卻速率必須<10℃/秒共晶裝片

共晶合金具有以下特性：(1)比純單組元熔點(diǎn)低，對(duì)比熔化焊工藝，大大簡(jiǎn)化了焊接工藝；(2)共晶合金比純單組分金屬有更好的流動(dòng)性，在凝固中可防止阻礙液體流動(dòng)的枝晶形成，從而具有更好的鑄造性能；(3)恒溫轉(zhuǎn)變(無凝固溫度范圍)減少了缺陷，如偏聚和縮孔；(4)共晶凝固可獲得多種形態(tài)的顯微組織，尤其是規(guī)則排列的層狀或桿狀共晶組織，可成為優(yōu)異性能的原生復(fù)合材料。共晶焊接裝片工藝的缺陷，因?yàn)楣簿аb片是要靠機(jī)械手向下的壓力才能有好的共晶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，如果裝片的機(jī)械手上吸嘴的截面與芯片不平行，則會(huì)導(dǎo)致芯片的受力不均，從而出現(xiàn)芯片一邊已與銀形成共晶合金聯(lián)接牢，另一邊未聯(lián)接牢的現(xiàn)象。而加壓的時(shí)間，壓力的大小也有規(guī)定值，關(guān)于芯片表面材料極限應(yīng)力的研究，結(jié)果表明：在50Mpa壓強(qiáng)以內(nèi)，芯片是安全的。（硅的臨界壓強(qiáng)值是53.6MPa）錫鉛合金相圖共晶焊的關(guān)鍵點(diǎn)焊料的選用溫度控制工藝曲線參數(shù)的確立降低空洞率燒結(jié)-銀

燒結(jié)焊料選擇表芯片背面材料基板燒結(jié)區(qū)材料燒結(jié)焊料TiNiAg

CrNiAg

TiNiAuPdAg或PtAgPb36Sn62Ag2Pb70Sn30Pb88Sn10Ag2Pb90Sn10Au88Ge12Au80Sn20TiNiAg

CrNiAg

TiNiAu

NiNiPb70Sn30Pb88Sn10Ag2Pb90Sn10Au80Sn20TiNiAg

CrNiAg

TiNiAuAuAu88Ge12Au80Sn20SiAuAu98Si2Au97Si3Au99.5Sn0.5Au98Sb2含銀焊料與燒結(jié)銀比較表特性焊料SNAg3.5燒結(jié)銀單位熔點(diǎn)221961℃攝氏度熱傳導(dǎo)率20240W/mK導(dǎo)電率841MS/m工藝厚度最大90最大20um熱膨脹系數(shù)（CTE）2819ppm/K機(jī)械強(qiáng)度3055Mpa工藝溫度260~300200左右℃攝氏度內(nèi)互聯(lián)–金銅線WB

線材的選擇摻鈹元素可以降低金線在抽拉過程中的冷作硬化，從而提高易加工性，同時(shí)能很好地形成線弧。摻鈀，鉑可以減緩IMC（金屬間化合物）生長(zhǎng)，可以抗腐蝕和減少焊接空洞。摻鈣可以提高線的強(qiáng)度剛度，使得線抗倒伏能力提升。還可以摻稀土元素，可以減少熱影響區(qū)，使得晶粒度細(xì)化，提高強(qiáng)度韌性和高溫強(qiáng)度。劈刀的選擇內(nèi)互聯(lián)–鋁線WB

冷超聲鍥焊示意圖金屬材料的電阻率特性金屬線材電阻率微歐/厘米銀1.6銅1.7金（4N99.99%）2.4金（2N99%）3.0鋁2.7鎳6.8鐵10.1鉑10.4金屬焊接冶金特性可靠性排列圖Au-AuAl-AlAl-NiAu-PdAu-AgAu-AlPd,Au,PtAu-CuAg-CuAl-CuAl-Ag可靠性已被大批量量產(chǎn)所證明貴金屬（摻入起調(diào)質(zhì)作用）可靠性僅在小批量量產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)室中得到驗(yàn)證，銅線尤其需要注意對(duì)硅基芯片的彈坑作用）不推薦，需要非常注意銀鋁間的擴(kuò)散速度問題金屬間焊接可靠性高低塑封

塑封料主要成分含量及功能表序號(hào)成分名主要作用和功能含量體積%1樹脂（epoxyResin）結(jié)合劑,主要把塑封料中的各種成分結(jié)合在一起。一般是環(huán)氧樹脂。5~202有機(jī)阻燃劑(BR-Epoxy)防止PKG在工作過程中因產(chǎn)生大量的熱量而燃燒。<23硬化劑Hardener使樹脂發(fā)生硬化反應(yīng).5~104催化劑加快塑封料的軟化速度,促使固化反應(yīng)的進(jìn)行.<15填充劑Filler構(gòu)成塑封料的主要成份,對(duì)金型型腔起填充作用60~936粘結(jié)劑和樹脂一齊增加粘度<17硅油減小內(nèi)應(yīng)力<58脫模劑幫助塑封后的封裝可以方便地從型腔中脫出。<19無機(jī)阻燃物阻燃0.5~310染色劑對(duì)塑封體進(jìn)行染色<111其他微調(diào)塑封料的化學(xué)物理機(jī)械性能的微量元素

表面處理--電鍍

化學(xué)軟化電鍍?cè)缙冢€框架外引腳的可焊性鍍層主要采用Sn-Pb合金。Sn-Pb合金鍍層以其優(yōu)良的綜合性能以及低廉的成本，被廣泛應(yīng)用于電子連接和組裝中，并在長(zhǎng)期實(shí)踐中形成了成熟的生產(chǎn)工藝和完善的性能評(píng)價(jià)體系。近幾年經(jīng)過多年的研究，可焊性鍍層的無鉛化已取得了較大的進(jìn)展,歸納起來主要有Sn-Cu、Sn-Bi、Sn-Ag及純Sn鍍層以及預(yù)電鍍PPF技術(shù)?，F(xiàn)在，許多公司已推出相應(yīng)的無鉛電鍍藥品和工藝，也得到了實(shí)際應(yīng)用。功率半導(dǎo)體的測(cè)試靜態(tài)測(cè)試動(dòng)態(tài)測(cè)試JESD51-1結(jié)-殼熱阻測(cè)試示意圖擊穿特性熱阻測(cè)試柵電荷測(cè)試結(jié)電容測(cè)試雙脈沖測(cè)試雪崩測(cè)試?yán)擞繙y(cè)試封裝成品（FT）測(cè)試功率封裝的質(zhì)量控制和原理幾種常見的封裝不良彈坑Cratering虛焊芯片裂紋分層幾個(gè)研究方向和問題芯片裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的機(jī)理，封裝過程中的裂紋防范措施材料表面粗造度的測(cè)量以及對(duì)焊接質(zhì)量的影響？對(duì)分層的影響？自動(dòng)100%檢測(cè)焊料厚度的方法？材料氧化程度的自動(dòng)測(cè)量方法以及氧化程度對(duì)鍵合和塑封的影響。………質(zhì)量問題應(yīng)著重問題機(jī)理研究，根本原因分析，在此基礎(chǔ)上建立有效全面的防控措施并形成控制規(guī)范納入質(zhì)量管理體系。常用的方法有精益-6sigma工具體系，8D方法，矛盾與創(chuàng)新TRIZ方法等。功率封裝的材料結(jié)構(gòu)—框架設(shè)計(jì)引腳寬度設(shè)計(jì)框架引腳整形設(shè)計(jì)框架內(nèi)部設(shè)計(jì)框架設(shè)計(jì)思路：考慮內(nèi)互聯(lián)的工藝要求考慮塑封料的鎖定考慮絕緣等電性能要求功率封裝的材料結(jié)構(gòu)—封裝體設(shè)計(jì)封裝體設(shè)計(jì)封裝體設(shè)計(jì)思路：考慮工藝方面的便利程度，如脫模，電鍍的通路等?？紤]應(yīng)用的便利性，如絕緣要求，電路板安裝的要求。功率封裝的工藝設(shè)計(jì)---基本思想BondPadPitchXY已知線徑和球徑適合的芯片焊盤尺寸X？Y？

由此，得出基本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（包括框架等材料以及相應(yīng)的封裝設(shè)備）。設(shè)計(jì)是根據(jù)材料及設(shè)備能力的變化而發(fā)生變化。所以要非常清晰地列出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則制定當(dāng)時(shí)的材料和設(shè)備的波動(dòng)假設(shè),并根據(jù)實(shí)際情況做優(yōu)化調(diào)整。功率封裝的工藝設(shè)計(jì)---參考準(zhǔn)則功率封裝的工藝設(shè)計(jì)---參考準(zhǔn)則芯片邊緣到第二焊點(diǎn)的距離Xn=9.6328exp{0.0336[(Dt+Bl)/A*(E+D)+D]}

芯片上第一焊點(diǎn)上線弧到芯片邊緣的距離最小值D=0.076mm在經(jīng)過去飛邊處理及在封裝體表面需要用激光燒灼印字的情形：（A)=0.10mm,(B)=0.10mm在經(jīng)過高壓水刀去飛邊處理但無須在封裝體表面需要用激光燒灼印字的情形：(A)=0.10mm,(B)=0.075mm功率封裝的散熱設(shè)計(jì)RthJA=RthJC+RthCS+RthSA

Pd=Pon+Poff+P轉(zhuǎn)換在封裝設(shè)計(jì)中，先要了解器件的功耗，根據(jù)材料的熱阻特性代入串并聯(lián)公式得出Rjc，即可得到芯片表面到封裝體上下表面所允許的溫度差，硅基的芯片結(jié)溫一般不能超過175℃，SiC芯片結(jié)溫不超過200℃，根據(jù)這個(gè)原則選擇合適的材料并適當(dāng)做散熱工藝處理。功率封裝的仿真機(jī)械應(yīng)力仿真熱仿真可靠性仿真TO263焊點(diǎn)功率循環(huán)不同尺寸芯片溫度循環(huán)車規(guī)級(jí)功率器件封裝生產(chǎn)體系車規(guī)級(jí)功率器件質(zhì)量體系IATF的全稱是InternationalAutomotiveTaskForce,中文的意思是國(guó)際汽車推動(dòng)小組，其成立的宗旨是協(xié)調(diào)全球汽車供應(yīng)鏈中的不同評(píng)估和認(rèn)證體系，其后因汽車行業(yè)要求或者ISO9001修訂的需要，創(chuàng)建了2002年第二版和2009年第三版，故其標(biāo)準(zhǔn)先是TS16949（TempararyStandard），2009年后正式更名為IATF16949，是一套適用于全球汽車制造業(yè)的共同產(chǎn)品和技術(shù)開發(fā)的常見技術(shù)和方法。AIAG（AutomotiveInternationalActionGroup）國(guó)際汽車行動(dòng)小組開發(fā)和定義了五大工具涵蓋了車用品的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)，銷售服務(wù)等過程。分別是APQP（AdvancedProductQualityPlan）先期產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)劃、FMEA（FailureModeeffectAnalysis）失效模式分析、MSA（MeasurementSystemAnalysis）測(cè)量系統(tǒng)分析、SPC（StatisticalProcessControl）統(tǒng)計(jì)過程控制以及PPAP（P