快恢復二極管銅遷移失效機理及應用可靠性研究

作者/ 項永金 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

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

摘要：變頻空調控制器柜機主板在生產(chǎn)過(guò)程出現大量IPM炸裂失效 ，IPM炸失效同步自舉二極管失效，位置不集中，對主板進(jìn)行分析，確定是IPM自舉電路升壓二極管異常導致IPM炸裂失效，經(jīng)過(guò)對大量失效二極管及全檢異常二極管分析，分析研究結果表明：二極管因為晶圓設計工藝結構缺陷、焊接工藝問(wèn)題，導致晶圓焊接時(shí)產(chǎn)生高溫銅遷移，抗機械應力水平下降，在實(shí)際應用中又因為器件引腳跨距設計不合理導致器件受機械應力影響加深失效程度，最終出現過(guò)電擊穿失效，經(jīng)大量的方案分析驗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用可靠性。

引言

　　快恢復二極管簡(jiǎn)稱(chēng)FRD，內部結構與普通二極管不同，屬于PIN結型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加基區，構成硅片，因為基區很薄，反向恢復電荷小，所以快恢復二極管的反向恢復時(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)品控制系統中廣泛應用，主要應用在空調主板開(kāi)關(guān)電源及壓縮機驅動(dòng)控制逆變電路中，二極管失效直接導致主板電源部分不能正常工作，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，A企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程短時(shí)間內出現大比例的IPM炸失效，經(jīng)過(guò)大量信息統計及電路設計方面排查分析，是二極管異常導致，該問(wèn)題嚴重影響我司產(chǎn)品質(zhì)量，一段時(shí)間內一直都沒(méi)有找到失效原因，對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理，采取有效改善預防措施，具有非常重要意義。

1 二極管高溫銅遷移失效產(chǎn)生原理

　　快恢復二極管由兩部分組成，即二極管硅晶圓和杜美絲銅引線(xiàn)部分，晶圓與杜美絲采取高溫焊接后進(jìn)行樹(shù)脂封裝成型，硅晶圓主要物質(zhì)成分SiO2，銅在SiO2中擴散速度很快，而且銅是硅的深能級受主雜質(zhì)，擴散到Si中并在Si的禁帶中形成幾個(gè)深能級受主能級，這些能級會(huì )充當產(chǎn)生復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)程中工藝設計不當，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，設計必須保證硅晶圓與銅引線(xiàn)之間形成有效阻隔層，隔絕銅原子遷移與Si發(fā)生反應，銅遷移產(chǎn)生原理及發(fā)生反應過(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(xiàn))，當銅因為受到高溫焊接或是高溫環(huán)境時(shí)易產(chǎn)生銅原子遷移，如果二極管工藝結構設計沒(méi)有對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 )導致二極管漏電流增大(原極與漏極淺結處產(chǎn)生漏電流)，晶元與杜美絲結合力大幅度下降。

2 快恢復二極管應用電路工作過(guò)程及器件失效分析

2.1 快恢復二極管應用電路工作過(guò)程

　　主板失效表現為IPM炸裂失效，經(jīng)過(guò)對失效主板進(jìn)行檢測分析及大量信息收集，確定二極管、IPM等失效集中在DCT測試工序上電瞬間，壓縮機未啟動(dòng)即出現失效，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)對電路進(jìn)行調節控制來(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，需要對自舉電容進(jìn)行充電，通過(guò)控制驅動(dòng)信號足夠脈沖數量，精確控制IGBT開(kāi)通，將電容兩端電壓抬升至目標電壓，具體工作過(guò)程為：在上電瞬間需要對自舉電容進(jìn)行充電，下橋臂的IGBT開(kāi)通將對應相輸出電壓拉低到地，電源通過(guò)自舉電阻、自舉二極管對電容進(jìn)行充電。

　　當上橋IGBT開(kāi)通時(shí)，輸出電壓再次升至母線(xiàn)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(xiàn)電壓有效隔離，避免強電導入弱電擊穿電路器件，以上是單個(gè)循環(huán)，后續周而復始進(jìn)行。

　　電路分析結果表明，通過(guò)對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，在電路開(kāi)始工作之前系統初始化階段，下橋IGBT開(kāi)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(kāi)啟過(guò)程二極管此時(shí)起到強弱電的有效隔離，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致反向耐壓偏低極易出現器件反向耐壓不足擊穿失效。導致內部IGBT開(kāi)通異常急劇發(fā)熱炸裂，所以經(jīng)過(guò)對失效主板分析及器件應用電路分析判斷，二極管異常導致炸板，經(jīng)過(guò)實(shí)際模擬驗證二極管耐壓偏低確實(shí)可以導致模塊炸失效，與下線(xiàn)故障現象一致。

2.3 二極管X光透射、電鏡掃描分析

　　經(jīng)過(guò)對失效二極管進(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(kāi)封解析

　　二極管失效經(jīng)過(guò)分析一直是機械應力導致失效，生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題，后采取大比例對異常批次二極管進(jìn)行全檢，來(lái)料全檢發(fā)現多單二極管反向漏電流嚴重超標，實(shí)測值在1000MA以上，二極管全檢異常品未進(jìn)行強電測試，對全檢漏電流超標二極管進(jìn)行開(kāi)封解析同樣存在晶元裂紋，將二極管寄給安森美分析確認晶圓同樣有裂紋，開(kāi)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)生機械應力影響分析

　　排查二極管自插環(huán)節設備發(fā)現，二極管插裝后引腳存在嚴重的應力，兩邊引腳嚴重變形。有內應力損傷問(wèn)題，一般設計要求建議打點(diǎn)位置中心點(diǎn)到元件本體側面的距離在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(xiàn)跨距設計要求，引線(xiàn)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(xiàn)機型集中在使用了PCB 37002488的機型上面，失效位置集中在IPM(D18-D20)當中，而在開(kāi)關(guān)電源電路D701當中該二極管失效較少;根據對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計不符合廠(chǎng)家推薦的插裝間距要求，也不符合我司標準封裝庫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，導致二極管插裝后左右引腳成型不良，實(shí)際設備無(wú)法保證，存在應力隱患。

　　二極管應用PCB板設計引腳之間插裝跨距設計不合格要求，跨距偏小，導致自插受力隱患大。

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(kāi)始，溫度越高銅原子運動(dòng)越活躍，遷移速率越快，受溫度影響很大，該快恢復二極管晶圓實(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(xiàn)焊接材質(zhì)

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

3.3 硅晶圓表面保護阻隔層覆蓋不到位

　　二極管晶圓表面未形成有效的保護阻隔層，設計應保證晶圓表面特別是邊緣位置必須有效覆蓋防止出現晶圓邊緣位置因為封溝設計、或是制造過(guò)程出現問(wèn)題導致硅晶圓實(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(xiàn)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。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)驗驗證最終確定銅遷移整改方案，具體整改方案如下。

4.1 改善晶圓的設計結構

　　有效封住晶圓上的裸漏部分溝道，延長(cháng)覆蓋長(cháng)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 從而加強二極管抗壓能力。 整改方案如圖5所示。

4.2 增加銅引線(xiàn)阻隔防護層

　　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跨距整改結果

　　安森美35030124二極管MUR180E出現炸板異常問(wèn)題，經(jīng)過(guò)排查分析發(fā)現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)排查分析評估后將D18、D19、D20封裝焊盤(pán)間距進(jìn)行優(yōu)化，將間距由10.16mm更改為13.5mm。

5 結論

　　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(chǎng)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(chǎng)壓接過(guò)程中)，銅原子遷移到晶圓表面，并生成硅化銅，從而導致器件漏電流增大。導致失效的原因是“銅遷移”，由于產(chǎn)生銅遷移導致晶元與杜美絲結合力大幅度下降，生產(chǎn)過(guò)程出現晶元受外在機械應力產(chǎn)生裂紋，后在制造使用過(guò)程再次自插剪腳受力導致裂紋程度加重，在整機通電后因器件電性能衰降反向耐壓不足導致二極管擊穿失效，強電直接引入弱電導致模塊與其他器件過(guò)電擊穿失效炸裂。針對二極管銅遷移采取對晶圓表面增加延長(cháng)覆蓋面積至45μm及引線(xiàn)鍍鎳有效解決銅原子遷移與硅發(fā)生還原反應，解決二極管高溫銅遷移失效不良。

參考文獻:

　　[1]曹博.銅硅體系的擴散和界面反應[D]蘭州大學(xué),2008.

　　[2]曹博,包良滿(mǎn),李公平,等.Cu/SiO_2/Si(111)體系中Cu和Si的擴散及界面反應[J].物理學(xué)報,2006,55(12):6550-6555.

　　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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。