快恢復(fù)二極管銅遷移失效機(jī)理及應(yīng)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(dǎo)體器件及功率器件可靠性分析與研究整改。

摘要：變頻空調(diào)控制器柜機(jī)主板在生產(chǎn)過程出現(xiàn)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(dǎo)致IPM炸裂失效，經(jīng)過對大量失效二極管及全檢異常二極管分析，分析研究結(jié)果表明：二極管因為晶圓設(shè)計工藝結(jié)構(gòu)缺陷、焊接工藝問題，導(dǎo)致晶圓焊接時產(chǎn)生高溫銅遷移，抗機(jī)械應(yīng)力水平下降，在實際應(yīng)用中又因為器件引腳跨距設(shè)計不合理導(dǎo)致器件受機(jī)械應(yīng)力影響加深失效程度，最終出現(xiàn)過電擊穿失效，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(yīng)用可靠性。

引言

　　快恢復(fù)二極管簡稱FRD，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通二極管不同，屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加基區(qū)，構(gòu)成硅片，因為基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間很短，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(tǒng)中廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用在空調(diào)主板開關(guān)電源及壓縮機(jī)驅(qū)動控制逆變電路中，二極管失效直接導(dǎo)致主板電源部分不能正常工作，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，A企業(yè)生產(chǎn)過程短時間內(nèi)出現(xiàn)大比例的IPM炸失效，經(jīng)過大量信息統(tǒng)計及電路設(shè)計方面排查分析，是二極管異常導(dǎo)致，該問題嚴(yán)重影響我司產(chǎn)品質(zhì)量，一段時間內(nèi)一直都沒有找到失效原因，對二極管大量失效品深入分析研究及快速解決二極管過電失效尤為重要，研究二極管失效原因及失效機(jī)理，采取有效改善預(yù)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(fù)二極管由兩部分組成，即二極管硅晶圓和杜美絲銅引線部分，晶圓與杜美絲采取高溫焊接后進(jìn)行樹脂封裝成型，硅晶圓主要物質(zhì)成分SiO2，銅在SiO2中擴(kuò)散速度很快，而且銅是硅的深能級受主雜質(zhì)，擴(kuò)散到Si中并在Si的禁帶中形成幾個深能級受主能級，這些能級會充當(dāng)產(chǎn)生復(fù)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程中工藝設(shè)計不當(dāng)，硅晶圓與杜美絲之間實際沒有有效覆蓋阻擋層，在高溫焊接過程中就可能會產(chǎn)生銅遷移，設(shè)計必須保證硅晶圓與銅引線之間形成有效阻隔層，隔絕銅原子遷移與Si發(fā)生反應(yīng)，銅遷移產(chǎn)生原理及發(fā)生反應(yīng)過程如圖1所示，Si可以和很多金屬形成化合物，二極管晶圓焊接實際使用是目前最通用的杜美絲(銅引線)，當(dāng)銅因為受到高溫焊接或是高溫環(huán)境時易產(chǎn)生銅原子遷移，如果二極管工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計沒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(yīng)生成硅酮化合物(硅化銅)Cu3Si、Cu4Si。硅化銅性能差電阻率高，會導(dǎo)致二極管漏電流增大(原極與漏極淺結(jié)處產(chǎn)生漏電流)，晶元與杜美絲結(jié)合力大幅度下降。

2 快恢復(fù)二極管應(yīng)用電路工作過程及器件失效分析

2.1 快恢復(fù)二極管應(yīng)用電路工作過程

　　主板失效表現(xiàn)為IPM炸裂失效，經(jīng)過對失效主板進(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(jī)未啟動即出現(xiàn)失效，接下來簡單分析逆變電路上電瞬間工作過程。電路工作簡圖如圖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，實質(zhì)是利用電容兩端電壓不能瞬間突變通過對電路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制來改變電路某點的瞬時電位，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 工作過程

　　系統(tǒng)初始在上電瞬間自舉電容兩端電壓為零，如果IPM需要正常啟動工作，驅(qū)動電路VCC就需要正常供電，初始化時沒有電壓，在IPM工作前，需要對自舉電容進(jìn)行充電，通過控制驅(qū)動信號足夠脈沖數(shù)量，精確控制IGBT開通，將電容兩端電壓抬升至目標(biāo)電壓，具體工作過程為：在上電瞬間需要對自舉電容進(jìn)行充電，下橋臂的IGBT開通將對應(yīng)相輸出電壓拉低到地，電源通過自舉電阻、自舉二極管對電容進(jìn)行充電。

　　當(dāng)上橋IGBT開通時，輸出電壓再次升至母線電壓水平。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，同時給IGBT驅(qū)動提供電壓。自舉二極管反向截止，將弱電電源部分與母線電壓有效隔離，避免強(qiáng)電導(dǎo)入弱電擊穿電路器件，以上是單個循環(huán)，后續(xù)周而復(fù)始進(jìn)行。

　　電路分析結(jié)果表明，通過對IPM自舉電路初始上電工作瞬間工作原理及工作過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在電路開始工作之前系統(tǒng)初始化階段，下橋IGBT開啟自舉電容充電過程二極管承受電壓最小，二極管不會存在過壓失效可能，上橋IGBT開啟過程二極管此時起到強(qiáng)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(dǎo)致反向耐壓偏低極易出現(xiàn)器件反向耐壓不足擊穿失效。導(dǎo)致內(nèi)部IGBT開通異常急劇發(fā)熱炸裂，所以經(jīng)過對失效主板分析及器件應(yīng)用電路分析判斷，二極管異常導(dǎo)致炸板，經(jīng)過實際模擬驗證二極管耐壓偏低確實可以導(dǎo)致模塊炸失效，與下線故障現(xiàn)象一致。

2.3 二極管X光透射、電鏡掃描分析

　　經(jīng)過對失效二極管進(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 開封解析

　　二極管失效經(jīng)過分析一直是機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致失效，生產(chǎn)過程問題，后采取大比例對異常批次二極管進(jìn)行全檢，來料全檢發(fā)現(xiàn)多單二極管反向漏電流嚴(yán)重超標(biāo)，實測值在1000MA以上，二極管全檢異常品未進(jìn)行強(qiáng)電測試，對全檢漏電流超標(biāo)二極管進(jìn)行開封解析同樣存在晶元裂紋，將二極管寄給安森美分析確認(rèn)晶圓同樣有裂紋，開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(jī)械應(yīng)力影響分析

　　排查二極管自插環(huán)節(jié)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，二極管插裝后引腳存在嚴(yán)重的應(yīng)力，兩邊引腳嚴(yán)重變形。有內(nèi)應(yīng)力損傷問題，一般設(shè)計要求建議打點位置中心點到元件本體側(cè)面的距離在1.5～2倍的D(本體直徑)，實際主板引腳跨距是1:1的尺寸。一般二極管引線跨距設(shè)計要求，引線直徑在0.7-0.8，彎腳點離本體距離最小要在3.5左右，下線機(jī)型集中在使用了PCB 37002488的機(jī)型上面，失效位置集中在IPM(D18-D20)當(dāng)中，而在開關(guān)電源電路D701當(dāng)中該二極管失效較少;根據(jù)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(dá)不到此要求，若是彎角時輕微受力再經(jīng)過波峰焊的作用更容易出問題了;分析判定，部分PCB 35030124二極管插裝間距設(shè)計不符合廠家推薦的插裝間距要求，也不符合我司標(biāo)準(zhǔn)封裝庫35030124 13.5mm要求。

　　二極管插裝前剪腳沒有固定引腳進(jìn)行成型，導(dǎo)致二極管插裝后左右引腳成型不良，實際設(shè)備無法保證，存在應(yīng)力隱患。

　　二極管應(yīng)用PCB板設(shè)計引腳之間插裝跨距設(shè)計不合格要求，跨距偏小，導(dǎo)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°開始，溫度越高銅原子運(yùn)動越活躍，遷移速率越快，受溫度影響很大，該快恢復(fù)二極管晶圓實際焊接溫度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)時一定注意溫度的控制。

3.2 引線焊接材質(zhì)

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

3.3 硅晶圓表面保護(hù)阻隔層覆蓋不到位

　　二極管晶圓表面未形成有效的保護(hù)阻隔層，設(shè)計應(yīng)保證晶圓表面特別是邊緣位置必須有效覆蓋防止出現(xiàn)晶圓邊緣位置因為封溝設(shè)計、或是制造過程出現(xiàn)問題導(dǎo)致硅晶圓實際沒有有效的覆蓋，為銅原子遷移與硅發(fā)生反應(yīng)提供充足條件。

4 二極管高溫銅遷移失效解決方案

　　二極管過電失效經(jīng)過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)生有效手段通過在硅與銅直接建立起有效的阻隔層，一般方法是銅引線部分使用鎳進(jìn)行鍍層，防止銅原子遷移，二極管晶圓表面形成有效保護(hù)層，可以有效隔離遷移過來銅原子，避免產(chǎn)生還原化學(xué)反應(yīng)。銅硅之間增加活性差的難溶金屬SiN、Ta、Ti等。

　　經(jīng)過大量實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(shè)計結(jié)構(gòu)

　　有效封住晶圓上的裸漏部分溝道，延長覆蓋長度，即使有銅遷移，也不會流到硅表面，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(qiáng)二極管抗壓能力。 整改方案如圖5所示。

4.2 增加銅引線阻隔防護(hù)層

　　二極管的引腳增加NI層，使在焊接過程中不會產(chǎn)生銅原子遷移。并起到隔熱作用。

4.3 PCB跨距整改結(jié)果

　　安森美35030124二極管MUR180E出現(xiàn)炸板異常問題，經(jīng)過排查分析發(fā)現(xiàn)二極管位置引腳跨距存在差異，會增加器件受力可能， 通過排查分析評估后將D18、D19、D20封裝焊盤間距進(jìn)行優(yōu)化，將間距由10.16mm更改為13.5mm。

5 結(jié)論

　　經(jīng)過將大量過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家生產(chǎn)過程晶元與杜美絲焊接工序存在問題，引腳(銅質(zhì))上的銅在370度的焊接溫度下(在代工廠壓接過程中)，銅原子遷移到晶圓表面，并生成硅化銅，從而導(dǎo)致器件漏電流增大。導(dǎo)致失效的原因是“銅遷移”，由于產(chǎn)生銅遷移導(dǎo)致晶元與杜美絲結(jié)合力大幅度下降，生產(chǎn)過程出現(xiàn)晶元受外在機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，后在制造使用過程再次自插剪腳受力導(dǎo)致裂紋程度加重，在整機(jī)通電后因器件電性能衰降反向耐壓不足導(dǎo)致二極管擊穿失效，強(qiáng)電直接引入弱電導(dǎo)致模塊與其他器件過電擊穿失效炸裂。針對二極管銅遷移采取對晶圓表面增加延長覆蓋面積至45μm及引線鍍鎳有效解決銅原子遷移與硅發(fā)生還原反應(yīng)，解決二極管高溫銅遷移失效不良。

參考文獻(xiàn):

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

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第51頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。