功率半導體封裝技術

功率半導體封裝是連接芯片和外部電路的關鍵環(huán)節(jié)，具有實現(xiàn)電氣連接、提供機械支撐、保護芯片以及提供散熱通道等重要功能。

一、常見的封裝類型

1. 分立式封裝

• 廣泛應用于小功率范圍。這類封裝的功率器件需要焊接到印刷電路板上，由于功率損耗相對較低，散熱要求不高，通常不采用內(nèi)部絕緣，每個封裝中只有一個開關。例如晶體管常采用的TO（Transistor Outline）封裝，像流行的TO - 220和TO - 247封裝形式。不過，TO封裝存在一些缺陷，其寄生電阻和Ron（導通電阻）數(shù)量級相當，而且由于印刷電路板（PCB）的通孔是標準的，并且要滿足和保持引線之間的最小絕緣距離要求，不能簡單地通過增加引腳截面積來降低引腳的寄生電阻，只能通過優(yōu)化引腳截面積的形狀來改善。此外，為了降低成本而使用鋁線連接，要改善電阻損耗，只能加粗導線或增加引線數(shù)量，但這樣會帶來雜散電感的問題。隨著技術發(fā)展，小功率器件也開始采用表面貼裝技術（SMT），如SOT、SOP等封裝類型。

2. 模塊封裝

• 適用于中大功率應用。對于更高功率需求，模塊封裝有其優(yōu)勢。例如在高功率范圍，還有一種壓接封裝（Press Packs）或餅形封裝（Capsules）類型，主要應用于高功率范圍且目前尚不能由功率模塊實現(xiàn)的情況。在極高功率范圍中，功率芯片的大小可以達到整個晶圓的尺寸，此時具有圓形管腳的培養(yǎng)皿型封裝成為適合圓形芯片的理想封裝形式。在這種封裝中，為了平衡壓力并避免壓力峰值，介于兩個金屬片之間放置一個緩沖器件，鉬是比較理想的金屬材料，它具有高硬度和良好的熱膨脹系數(shù)，硅芯片在陽極一側(cè)與一塊剛性的鉬圓盤底座燒結在一起，然后在陰極一側(cè)通過壓接與第二個鉬圓片連接，使芯片位于封裝內(nèi)部的中心位置。

3. 新型封裝技術

• 隨著技術的發(fā)展，不斷有新的封裝技術涌現(xiàn)。如銀燒結、銅線鍵合等新材料和新工藝不斷地被引入到功率半導體封裝中。雙面冷卻封裝、薄片壓接式封裝、多片式集成功率模塊乃至異質(zhì)多芯片功率模塊等新型封裝技術也不斷出現(xiàn)。這些新型封裝技術有助于提高功率半導體的性能、可靠性和散熱能力等。

二、封裝涉及的材料、工藝、質(zhì)量控制和產(chǎn)品認證

1. 材料方面

• 不同的封裝材料對功率半導體的性能有著重要影響。例如在一些高功率應用中，鉬這種材料用于特定的封裝結構中，是因為它具有高硬度和良好的熱膨脹系數(shù)。封裝材料還包括用于連接芯片和引腳的鍵合材料等，傳統(tǒng)的鋁線鍵合在一些情況下存在局限性，而銅線鍵合的引入改善了性能。此外，封裝材料還需要考慮其導熱性、絕緣性等特性。

2. 工藝方面

• 封裝工藝涵蓋多個步驟，從芯片的貼裝到引腳的連接等。在芯片貼裝過程中，要確保芯片與封裝底座之間的良好接觸，以實現(xiàn)有效的散熱和電氣連接。鍵合工藝則是將芯片的電極與封裝引腳連接起來，如金線鍵合、銅線鍵合等工藝，鍵合的質(zhì)量直接影響到電氣連接的可靠性。在一些新型封裝工藝中，銀燒結工藝可以提高連接的可靠性和導熱性能。

3. 質(zhì)量控制

• 質(zhì)量控制在功率半導體封裝中至關重要。在生產(chǎn)過程中，需要對封裝的各個環(huán)節(jié)進行嚴格的檢測。例如對芯片貼裝的位置精度、鍵合的強度和質(zhì)量等進行檢測。通過各種測試手段，如拉力測試來檢測鍵合的牢固程度，光學檢測來檢查芯片貼裝的位置等，確保封裝的質(zhì)量符合要求。

4. 產(chǎn)品認證

• 功率半導體封裝產(chǎn)品需要通過相關的認證，以證明其符合行業(yè)標準和規(guī)范。不同的應用領域可能有不同的認證要求，例如在汽車和航天等特殊領域，對功率半導體封裝的可靠性、安全性等方面有著更為嚴格的認證標準。這些認證標準涵蓋了從材料到工藝，再到產(chǎn)品性能和可靠性等多方面的要求。

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功率半導體測試方法

功率半導體測試是確保其性能和可靠性的重要手段，通過多種測試方法可以全面評估功率半導體的各項特性。

一、半導體材料的電阻率測試

1. 四探針測試法

• 四探針技術可測試對象主要有晶圓片和薄層電阻，例如硅襯底片、研磨片、外延片、離子注入片、退火硅片、金屬膜和涂層等。它是微區(qū)薄層電阻測試的常用方法，不同于使用萬用表測量常規(guī)導體電阻，因為半導體硅單晶電阻率以及微電子領域的其他金屬薄膜電阻率的測量需要利用微小信號供電以及高精密的量測設備，并且在測試接線方式上采用四線制接法來提升測量結果的準確性。

• 直線四探針法原理是用針距為1mm的四根探針同時壓在樣品的平整表面上，利用恒流源給外面的兩個探針通以微小電流，然后在中間兩個探針上用高精密數(shù)字萬用表測量電壓，最后根據(jù)理論公式計算出樣品的電阻率。這種方法能測出超過其探針間距三倍以上大小區(qū)域的不均勻性。測試設備包括不同探針間距探針臺、IT2806高精密源表和上位機軟件PV2800。IT2806高精密源表（簡稱SMU）集六種設備功能于一體（恒流源、恒壓源、脈沖發(fā)生器、6.5位DVM、電池模擬器、電子負載），在電阻率的測試中，可將IT2806高精密源表切換至恒流源模式，在輸出電流同時量測中間兩探針之間的微小壓降，并搭配免費的PV2800上位機軟件，自動得出電阻率的測量結果。

• 方形四探針法（如范德堡法）適用于扁平、厚度均勻、任意形狀且不含有任何隔離孔的樣品材料測試。與直線型四探針法相比，其對樣品形狀沒有要求。測試中，四個探針接觸點必須位于樣品的邊緣位置，測試接線方式也是在其中兩個探針點提供恒定電流，另外兩個點量測電壓，圍繞樣品進行8次測量，對這些讀數(shù)進行數(shù)學組合來決定樣品的平均電阻率，詳細測試方法可參見ASTM標準F76。

2. 測試優(yōu)勢

• 使用IT2800系列高精密源表測量電阻率具有測試便捷的優(yōu)點，ITECH IT2800系列高精密源/測量單元標配免費的上位機PV2800軟件，并可選配不同直線探針間距的探針臺，利用軟件內(nèi)置的公式，即可直接得出電阻率的測試結果。而且測試精度高，高達100nV/10fA分辨率，電流量測精度最高可達0.1% + 50pA，電壓量測精度最高可達0.015%+300uV，還提供正向/反向電流連續(xù)變化測試，提高測試精度。

二、半導體器件的I - V特性測試（以MOSFET為例）

1. MOSFET轉(zhuǎn)移特性測試（ID = f(VGS))

• 轉(zhuǎn)移特性驗證的是柵極電壓VGS對漏極電流ID的控制作用，其表征了器件的放大能力。對于恒定的VDS，VGS越大，則溝道中可移動的電子越多，溝道電阻越小，相應的ID就越大，當VGS達到一定值的時候，電壓再大，ID也不會再有太大的變化。測試方法為在漏極D和源極S之間連接SMU1 - IT2805(200V/1.5A/20W)，施加特定的VDS值，接著通過SMU2 - IT2805掃描VGS，并同步量測ID，隨著VGS的增大，ID也會增大，最終繪制出曲線。測試優(yōu)勢在于IT2800系列提供多種掃描模式：直流或脈沖，線性或?qū)?shù)，單向或雙向。對于敏感型的功率器件，測試人員可選擇脈沖掃描方式，以減少通過持續(xù)的直流而導致器件溫度升高、特性發(fā)生變化等問題。另一方面為確保當VGS變化時，同步量測到穩(wěn)定的ID參數(shù)，兩臺SMU之間采用光纖的通訊方式，極大縮減了同步誤差，可低于30ns。

2. MOSFE輸出特性測試（ID = f(VDS))

• MOS管的輸出特性可以分為三個區(qū)：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)。當MOSFET工作在開關狀態(tài)時，隨著VGS的通/斷，MOSFET在截止區(qū)和可變電阻區(qū)來回切換。當MOSFET工作于恒流區(qū)時，可以通過控制VGS的電壓來控制電流ID。測試方法是同樣在漏極D和源極S之間連接SMU1 - IT2805(200V/1.5A/20W)，提供掃描電壓VDS，在柵極G和源極S之間連接SMU2 - IT2805，提供掃描電壓VGS。測試過程中，漏源極電壓VDS設定從0V開始掃描至終止電壓，當VDS掃描結束后，柵極電壓VGS步進到下一個數(shù)值，VDS再次進行掃描。此外，還可以選配ITECH的SPS5000軟件，實現(xiàn)自動化的半導體靜態(tài)特性測試。SPS5000軟件內(nèi)建CMOS的半導體模型及豐富的靜態(tài)指標測試項目，只需進行簡單的參數(shù)配置即可快速完成測試，當測試完成后，上位機軟件可以對多次測試進行綜合的分析，顯示table數(shù)據(jù)或曲線，幫助工程師提升測試效率。

三、雙脈沖測試

1. 測試原理和意義

• 雙脈沖測試（Double Pulse Test）是分析功率開關器件動態(tài)特性的常用測試。通過雙脈沖測試可以便捷地評估功率器件的性能，獲得穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程中的主要參數(shù)，更好地評估器件性能，優(yōu)化驅(qū)動設計等。雖然功率半導體器件的手冊上會有參數(shù)標注，但這些參數(shù)都是在標準測試條件下得到的。在實際應用中，如果不加以測試，直接在標定的工況下運行看能否達到設計的功率，無法全面了解器件性能，進而影響產(chǎn)品長期可靠性，或者設計裕量過大帶來成本增加，使得產(chǎn)品的市場競爭力下降。例如在使用IGBT或者MOSFET做逆變器的設計中，如果能在設計研發(fā)階段，精準地了解器件的開關性能，將對整個產(chǎn)品的優(yōu)化帶來極大的好處，如能在不同的電壓、電流和溫度下獲得開關損耗，給系統(tǒng)仿真提供可靠的數(shù)據(jù)，還可以通過觀察波形振蕩情況來選擇合適的門極電阻。

2. 測試平臺和流程

• 測試平臺包括高壓電源（如IT6700H/IT6018C - 1500 - 40/IT - M3906C - 1500 - 125）、高壓差分電壓探頭（1000:1）、SMU（如IT2806）等。測試流程為在t0時刻，被測IGBT的門極接收到第一個脈沖，被測IGBT導通，母線電壓U加在負載電感L上，電感上的電流線性上升，I = U*t/L。IGBT關斷前的t1時刻，電感電流的數(shù)值由U和L決定；在U和L都確定時，電流的數(shù)值由IGBT開啟的脈寬T1決定，開啟時間越長，電流越大。

功率半導體可靠性分析

功率半導體的可靠性是其在各種應用場景中能夠長期穩(wěn)定工作的關鍵指標，需要通過多種測試和分析方法來評估。

一、可靠性測試項目分類

1. 基本特性測試

• 主要包括靜態(tài)特性測試和動態(tài)特性測試。以IGBT為例，靜態(tài)特性測試一般指飽和壓降Vces、閾值電壓Vgeth、集 - 射極漏電流Ices、柵 - 射極漏電流Iges、穩(wěn)態(tài)熱阻Rth等靜態(tài)參數(shù)。這些靜態(tài)參數(shù)主要表征模塊的一些基本性能參數(shù)，是表征模塊優(yōu)良的重要指標，例如飽和壓降Vces表征器件的導通能力，Vces越小，模塊工作過程中的導通損耗越小，相同條件下溫升越小。動態(tài)特性測試一般指雙脈沖測試，包括開通延時時間td(on)、下降時間tf等動態(tài)參數(shù)，還可包括安全工作區(qū)SOA的測試，有RBSOA和SCSOA。器件加速老化可靠性實驗前必須進行模塊的基本特性測試，尤其是靜態(tài)特性測試，一方面確保被測器件功能的完整性，另一方面可用于老化后的對比分析，助力器件失效模式的分析。不過，一般在可靠性老化測試中不進行器件的動態(tài)特性測試，即使是進行柵極老化的高溫柵偏實驗，一方面是動態(tài)特性測試時間很短，封裝的老化并不會影響器件的動態(tài)特性，另一方面器件的部分動態(tài)特性可通過Iges和Vgeth表征，甚至可進行柵極電容的測試來表征。

2. 極限能力測試

• 主要包括短路能力測試、浪涌能力測試和極限關斷能力測試，考核的是器件在極端工況下的能力，尤其是關斷能力。例如短路能力測試主要考核器件在短路（一般有3類短路情況）條件下器件的極限關斷能力，一般為10μs能關斷電流的數(shù)值，主要考核芯片的能力。浪涌能力則是考核反并聯(lián)二極管抗浪涌能力，一般是10ms正弦半波的沖擊，尤其是SiC MOSFET的體二極管非常重要，可能還會影響柵極的可靠性，由于時間較長，主要考核封裝的水平。極限關斷能力則是考核器件飽和狀態(tài)下在毫秒級的關斷能力，如電網(wǎng)用的直流斷路器需要在3ms關斷6倍的額定電流。從物理和傳熱學理論來看，短路測試雖然會有大量的能量產(chǎn)生，最終也是由于能量超過芯片極限而損壞，但由于測試時間非常短，反復的短路測試不會引起封裝的老化，而浪涌能力和極限能力測試則將進一步影響封裝的老化，是加速老化測試未來應該重點關注的測試。此外，極限能力是特種電源等極端應用時需要重點關注的測試。

3. 可靠性測試

• 主要包括功率循環(huán)、溫度循環(huán)、溫度沖擊、機械沖擊、機械振動、高溫柵偏、高溫反偏、高溫高濕反偏和高低溫存儲等，額外的還包括鹽霧等測試。按照應力的來源區(qū)分其實可分為電應力加速老化和環(huán)境應力加速老化。從器件研發(fā)到量產(chǎn)以及應用過程中，需要經(jīng)過大于10項可靠性測試，機械沖擊、機械振動、溫度存儲等主要考核的是器件在運輸或者存儲過程中的可靠性，而最重要的測試主要有高溫柵偏、高溫反偏、高溫高濕反偏、溫度循環(huán)和功率循環(huán)。這些實驗也是工業(yè)界和學術界研究最多、最復雜的測試，尤其是功率循環(huán)測試。通過上述加速老化實驗，可以提前暴露器件在芯片設計、封裝工藝、樣品制備、運輸存儲、實際應用過程中可能存在的問題，一方面可為器件廠商提供改進建議，優(yōu)化器件的性能并提高器件可靠性，另一方面可為器件的應用方提供技術指導以及實際產(chǎn)品設計和可靠性驗證提供數(shù)據(jù)支撐。

4. 失效分析

• 主要包括SAM超聲波掃描分析、X - ray材料損傷檢測分析、SEM電子顯微鏡分析、光學顯微鏡分析和有限元仿真分析。SAM超聲波掃描分析主要是通過超聲波對器件內(nèi)部各層材料進行探傷，尤其是材料的界面處，當存在一個空洞時，返回的超聲波能量和相序發(fā)生了變化，即可進行定位。X - ray則更多是用于材料本體探傷研究，多用于材料級的失效分析，SEM電子顯微鏡和光學顯微鏡也是一樣，但光學顯微鏡需要打開模塊才能對相應的位置進行深入探究。有限元仿真分析是一個除實驗外最好的檢測、分析和研究手段，通過實驗測量數(shù)據(jù)的對比和修正，完全重現(xiàn)實驗過程中器件內(nèi)部的細節(jié)和薄弱點，也是失效分析最難和最為重要的環(huán)節(jié)。

二、不同類型功率器件的可靠性特點

1. 硅基器件（如IGBT）

• 硅基IGBT器件由于驅(qū)動功率小和飽和壓降低，而且具有電壓等級高（高達6500V）和電流范圍廣（高達3600A）的優(yōu)勢，在新能源、軌道交通、電動汽車、工業(yè)應用和家用電器等應用中成為中流砥柱。但在可靠性方面，隨著使用開關頻率的提升、能耗要求和基礎材料的發(fā)展，也面臨著新的挑戰(zhàn)。例如在高工作結溫、高功率密度和高開關頻率的發(fā)展需求下，其封裝的可靠性需要進一步提升以適應電力電子裝置小型化的要求。

2. 碳化硅（SiC）基器件（如SiC MOSFET）

• SiC MOSFET具備高擊穿場強、高工作結溫和高開關頻率的特點，在電動汽車等應用中得到重點關注。然而，SiC器件由于柵極的不穩(wěn)定性，在可靠性測試方面需要重點關注其柵極氧化層的可靠性。例如，英飛凌在控制和保證基于SiC的功率半導體器件的可靠性時，會進行如馬拉松應力試驗、柵極電壓步進應力試驗等來篩查SiC MOSFET柵極氧化層的可靠性，還會關注其偏壓溫度不穩(wěn)定性等方面的情況。

3. 氮化鎵（GaN）基器件

• GaN工藝的不斷成熟以及在射頻領域的發(fā)展經(jīng)驗，目前600V左右的高頻開關領域GaN器件非常有優(yōu)勢，尤其是車載充電機（OBC）。但由于GaN動態(tài)的快速性，在測試方法和細節(jié)上要有所區(qū)分，以確保對其可靠性的準確評估。

功率半導體封裝與測試的關系

功率半導體的封裝和測試是緊密相關的兩個環(huán)節(jié)，封裝的質(zhì)量和特性會影響測試結果，而測試又能對封裝的優(yōu)化和改進提供依據(jù)。

一、封裝對測試的影響

1. 電氣連接方面

芯片封裝清洗介紹

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質(zhì)量降低、焊接時焊點拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技運用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強有力的支持。