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案例分析:基于溫度循環(huán)試驗(yàn)判斷半導(dǎo)體分離器件不良現(xiàn)象

作者: 網(wǎng)絡(luò) 編輯: 瑞凱儀器 來(lái)源: 網(wǎng)絡(luò) 發(fā)布日期: 2020.06.18

    例1:待測(cè)器件經(jīng)過(guò)1,000小時(shí)溫度循環(huán)試驗(yàn)后測(cè)試結(jié)果顯示電性為開(kāi)路狀態(tài)。通過(guò)不良品分析實(shí)驗(yàn),剝離器件外部塑封膠后發(fā)現(xiàn)晶片與框架焊接過(guò)程中所使用銀漿在與晶片背面的焊接區(qū)域出現(xiàn)斷裂狀態(tài)(圖1)。通常半導(dǎo)體器件焊接所使用的銀漿的成分為錫/銀/銅,晶片的基材為硅。焊接過(guò)程中焊接溫度的設(shè)定,銀漿量的控制,晶片的柔片次數(shù),塑封膠注人的壓力等都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的終可靠性造成影響。當(dāng)器件處于極端溫度變差及輸入偏壓開(kāi)關(guān)模式下,器件在薄弱的不同介質(zhì)結(jié)合面會(huì)出現(xiàn)開(kāi)路狀況,從而造成器件整體功能或電路模塊的失效。如果各種材料在高低溫下通過(guò)各自的膨脹系數(shù)所產(chǎn)生的應(yīng)力沒(méi)有通過(guò)結(jié)合面之間的綬沖結(jié)構(gòu)得到釋放,這種影響可能會(huì)通過(guò)銀漿的結(jié)合面將應(yīng)力傳導(dǎo)到器件為脆弱的晶片內(nèi)部,造成芯片內(nèi)部的物理?yè)p傷,隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的集聚,終造成電性的不良,嚴(yán)重的情況下會(huì)顯示出晶片的斷裂或燒毀。

案例分析:基于溫度循環(huán)試驗(yàn)判斷半導(dǎo)體分離器件不良現(xiàn)象

    例2:待測(cè)器件在溫度循環(huán)試驗(yàn)之后出現(xiàn)焊接銀漿重新融化現(xiàn)象(圖2) ,在外力的擠壓下,銀漿流動(dòng)到晶片表面,造成器件短路。通常焊接用銀漿的熔點(diǎn)在260℃以上,銀漿在測(cè)試過(guò)程中的重新融化現(xiàn)象表明測(cè)試過(guò)程中晶片的結(jié)溫超出銀漿的融化所需溫度。理論上晶片的結(jié)溫取決于外部環(huán)境溫度和PN結(jié)本身在偏壓作用下的溫度升高。溫度循環(huán)試驗(yàn)中環(huán)境溫度為125℃,當(dāng)PN結(jié)在合理偏壓的設(shè)定條件下器件的結(jié)溫不會(huì)超出器件的允許結(jié)溫設(shè)定,一般為150℃或175℃ ,不會(huì)出現(xiàn)銀漿重融現(xiàn)象。因?yàn)楹附佑勉y漿和器件框架均包含金屬成分,其散熱性能良好,在正常情況下可以將晶片的結(jié)溫通過(guò)銀漿、框架有效傳導(dǎo)到器件外部消除結(jié)溫過(guò)高對(duì)晶片的損害。
    通常的問(wèn)題出在銀漿焊接過(guò)程中流動(dòng)性不好造成晶片底部銀漿空洞,當(dāng)結(jié)溫急劇升高時(shí),空洞中的空氣無(wú)法將結(jié)溫通過(guò)銀漿有效傳導(dǎo)出器件外,造成晶片局部;溫度過(guò)高出現(xiàn)熱點(diǎn),導(dǎo)致銀漿的融化。這種現(xiàn)象要求在銀漿焊接的工藝制程中有效控制每顆材料焊接過(guò)程中的單個(gè)空洞面積和銀漿總體有效焊接面積,避免PN結(jié)溫度傳遞中的問(wèn)題。同樣對(duì)于器件熱阻較高的產(chǎn)品,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)由于熱阻的迅速升高,可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格,器件的結(jié)溫會(huì)迅速躥升超出允許結(jié)溫,此時(shí)過(guò)高的溫度會(huì)造成銀漿的重新融化,這要求在晶片的設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)工藝的改進(jìn),減少熱阻的影響,從而同時(shí)提高產(chǎn)品的工作效率。
    從以上實(shí)例分析中可以看到溫度循環(huán)測(cè)試對(duì)于半導(dǎo)體分離器件在內(nèi)部不同介質(zhì)界面的可靠性測(cè)試中充分反映出潛在需要提高的問(wèn)題,為產(chǎn)品的終應(yīng)用提供有效的評(píng)估方法。
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