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案例分析:基于温度循环试验判断半导体分离器件不良现象

更新时间  2020-07-04 22:27:36 深圳市宇泰试验设备有限公司 阅读

    例1:待测器件经过1,000小时温度循环试验后测试结果显示电性为开路状态。通过不良品分析实验,剥离器件外部塑封胶后发现晶片与框架焊接过程中所使用银浆在与晶片背面的焊接区域出现断裂状态(图1)。通常半导体器件焊接所使用的银浆的成分为锡/银/铜,晶片的基材为硅。焊接过程中焊接温度的设定,银浆量的控制,晶片的柔片次数,塑封胶注人的压力等都会对产品的最终可靠性造成影响。当器件处于极端温度变差及输入偏压开关模式下,器件在最薄弱的不同介质结合面会出现开路状况,从而造成器件整体功能或电路模块的失效。如果各种材料在高低温下通过各自的膨胀系数所产生的应力没有通过结合面之间的绶冲结构得到释放,这种影响可能会通过银浆的结合面将应力传导到器件最为脆弱的晶片内部,造成芯片内部的物理损伤,随着实验时间的集聚,最终造成电性的不良,最严重的情况下会显示出晶片的断裂或烧毁。

    例2:待测器件在温度循环试验之后出现焊接银浆重新融化现象(图2) ,在外力的挤压下,银浆流动到晶片表面,造成器件短路。通常焊接用银浆的熔点在260℃以上,银浆在测试过程中的重新融化现象表明测试过程中晶片的结温超出银浆的融化所需温度。理论上晶片的结温取决于外部环境温度和PN结本身在偏压作用下的温度升高。温度循环试验中环境温度最高为125℃,当PN结在合理偏压的设定条件下器件的结温不会超出器件的最大允许结温设定,一般为150℃或175℃ ,不会出现银浆重融现象。因为焊接用银浆和器件框架均包含金属成分,其散热性能良好,在正常情况下可以将晶片的结温通过银浆、框架有效传导到器件外部消除结温过高对晶片的损害。
    通常的问题出在银浆焊接过程中流动性不好造成晶片底部银浆空洞,当结温急剧升高时,空洞中的空气无法将结温通过银浆有效传导出器件外,造成晶片局部;温度过高出现热点,导致银浆的融化。这种现象要求在银浆焊接的工艺制程中有效控制每颗材料焊接过程中的单个最大空洞面积和银浆总体有效焊接面积,避免PN结温度传递中的问题。同样对于器件热阻较高的产品,当环境温度升高时由于热阻的迅速升高,可能远远超出产品设计规格,器件的结温会迅速蹿升超出最大允许结温,此时过高的温度会造成银浆的重新融化,这要求在晶片的设计过程中通过工艺的改进,减少热阻的影响,从而同时提高产品的工作效率。
    从以上实例分析中可以看到温度循环测试对于半导体分离器件在内部不同介质界面的可靠性测试中充分反映出潜在需要提高的问题,为产品的最终应用提供有效的评估方法。