功率UDMOS器件封装及其可靠性研究

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集成电路,消费类电子以及汽车电子的发展,不断对功率器件的发展提出了各种各样的要求。缩小器件尺寸,提高导通电流与能效是未来很长一段时间功率器件的发展趋势,功率LJDMOS器件正好能满足这一发展要求,其市场应用前景也越来越广泛。但同时,则给功率器件的封装技术及可靠性带来了巨大的挑战。本文的研究主要包括了如下的几个部分: 1.首先给出了功率器件T0220,D/I PAK,SO系列等封装完整的工艺步骤以及主要检测方法,并结合工艺参数,分析各道工序中影响器件可靠性的关键因素。 2.结合实验以及有限元的分析方法,深入研究了回流焊前后2-5mil铝引线的可靠性问题,重点分析了引线焊点剥离失效以及引脚跟断裂失效机制。(1)对于焊点剥离,实验发现氧化的引线框架会导致引线与框架间焊点粘附强度降低,回流焊后发生焊点与框架剥离。并且发现典型的焊点剥离失效的连接性电学测试现象:低峰值交流测试电压下显示开路,而高峰值测试电压下显示正常。(2)回流焊工艺的热机械效应会加速原先潜在焊点剥离失效机制的发生,三维有限元模拟可以有效地模拟回流焊温度作用下,由于封装体内不同材料热膨胀系数而导致的热应力及应变分布,从理论上说明导致焊点失效的原因。在模拟中发现,引线与框架焊点界面处张应力随着温度上升而提高,而且在栅焊盘(Gate Pad)铝线引脚跟处(Heel Region of Bonding Wire)也存在着较大塑性应变,回流焊后有一定的塑性应变积累。(3)通过温度循环加速实验直观分析了引脚跟处塑性积累的变化,并通过栅源交流电阻的测量反映了对器件可靠性的影响。 3.分析贴片焊层(die attach layer)厚度以及气泡对器件可靠性的影响。(1)在功率循环可靠性实验中发现贴片材料厚度小于10μm的样品在0.5K功率循环后均未能通过Rds(on)测试,失效分析显示在贴片焊层中裂纹的存在是导致失效的主要原因。(2)为了对这一问题有更深入的理解,利用焊料Anand的材料粘塑性模型以及Darveaux疲劳寿命预测方法,用有限元方法模拟功率循环下的贴片层裂纹的产生及其延展,最后计算得到器件寿命,并进一步比较了不同焊层厚度对器件寿命的影响。发现模拟结果能较好地符合实验结果,并得到28μm是满足器件可靠性要求的最小贴片焊层厚度。(3)结合DVDS测试方法,将该模型扩展应用于含有气泡的的贴片层中,分析气泡对器件瞬态热扩散性能的影响,发现大于10%的气泡将会严重影响器件的热扩散能力。
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