功率器件封装工艺对于器件质量可靠性的影响

功率器件封装工艺对于器件质量可靠性的影响

杨诚

中国振华集团永光电子有限公司

摘 要：随着电子、电力技术的发展，军工、民用功率器件质量可靠性受到了大家关注和重视，除晶圆制造外，功率器件封装工艺对器件质量可靠性影响尤为重要，后部封装工艺主要包括三方面，其一为烧结工艺（粘片、共晶粘片），其二为键合工艺（焊线），其三为封帽工艺（密封）。本文主要阐述封装工艺对器件质量可靠性有哪些影响因素。

关键词：功率器件；封装工艺；烧结；键合；封帽；质量可靠性

一、引言

功率器件封装工艺主有：烧结工艺（粘片、共晶粘片），键合工艺（焊线），封帽工艺（密封）。烧结工艺（粘片、共晶粘片）即用焊料(如铅锡银焊料)或共晶原理将管芯烧结在底座上，使管芯与底座之间形成良好欧姆接触，并具有良好导热性能。键合工艺即采用键合的方式使用金属丝实现封功率器件芯片与管座的互连。封帽工艺（密封）即采用熔封、平行缝焊或储能焊的方式实现器件管座（管壳）与管帽（盖板）焊接，实现空封器件的密封。

封装工艺质量直接影响器件质量可靠性，因此我们应深入了解封装工艺对器件可靠性有哪些影响并针对性进行控制，确保器件使用过程中的质量可靠性。

二、烧结工艺对器件质量可靠性的影响因素

烧结工艺对器件质量可靠性的影响因素主要有三个方面。

2.1烧结炉温的稳定性。

在烧结过程中，烧结温度过低，焊片不能熔化或不能完全熔化，会导致焊接不佳，导致器件容易产生空洞；烧结温度过高会导致扩散的杂质进行再分布，从而影响扩散结深，进而影响产品参数。烧结温度会对烧结质量及烧结后产品参数产生明显的影响，烧结过程中炉温的波动会导致烧结过程中产品烧结温度的波动，从而影响烧结质量及产品参数的稳定性。因此，为保证烧结质量、降低热阻，需要保证烧结炉温的稳定性。

2.2焊片的质量。

焊片作为烧结时使用的原材料，焊片的质量对烧结有很大影响。焊片是否光洁、氧化会直接影响产品的烧结是否产生空洞，由于烧结过程是焊片熔化后将管芯与管座焊接在一起，焊片表面如果存在沾污、氧化现象，会直接导致熔化的焊片与管座的浸润情况变差，从而导致管芯与管座焊接质量下降并对烧结面积产生影响，进而产生空洞，减弱散热能力，增大热阻。因此，为保证烧结质量、降低热阻，需要保证焊片的质量。

2.3模具的质量。

模具在烧结过程中起到固定、对位的作用，使管芯与管座准确对位，并能良好的焊接在一起。如果模具对位不好，就会导致管芯与管座不能准确对位，导致管芯与管座间的焊接面积减少，从而影响焊接质量，进而产生空洞，减弱散热能力，增大热阻。模具歪斜会导致管芯在烧结过程中歪斜，导致烧结过程中管芯与管座接触不均匀，甚至产生隙缝等情况，从而导致管芯与钼柱焊接质量下降并对烧结面积产生影响，进而产生空洞，减弱散热能力，增大热阻。模具掉粉会导致粉尘在装模过程中掉在管芯及管座上，对管芯及管座造成沾污，会直接导致熔化的焊片与管座的浸润情况变差，从而导致管芯与管座的焊接质量下降并对烧结面积产生影响，进而产生空洞，减弱散热能力，增大热阻。因此，为保证烧结质量、降低热阻，需要保证石墨模具的质量。

三、键合工艺对器件质量可靠性的影响因素

键合拉力是超声键合质量的表征，键合拉力的一致性是直观反映超声键合工序能力重要参数。键合拉力偏小，则其内引线焊接质量就可能存在隐患，在后续试验使用过程中逐步暴露，最终可能导致产品失效。

超声键合工艺是半导体组装制造流程当中的关键工序。超声键合的加工能力由成品率、引线键合的质量和可靠性来决定。在超声键合的加工过程中，产品的成品率、质量和可靠性受很多因数的影响，如图1所示，超声键合工艺中的工艺参数超声功率、超声时间、键合压力将引起引线键合拉力强度的响应，超声键合的质量由键合拉力强度决定。

图1 超声键合加工过程

因此，控制超声键合加工一致性、质量和可靠性的主要工艺参数是超声功率、超声时间、键合压力。键合压力的改变直接影响键合强度和连接面积，键合压力过小，键合界面处劈刀与底座预压力不够，超声键合时界面氧化层没有很好除去容易导致欠键合；键合压力过大，劈刀作用在铝丝上的压力过大又容易导致过键合。合适的键合压力，与之匹配的超声功率和时间会使得芯片和底座很好的互连，并且能改善超声键合工艺水平，提高键合质量可靠性及一致性；不合适的键合压力将导致欠键合或过键合缺陷，导致产品失效。

四、封帽工艺对器件质量可靠性的影响因素

封帽工艺对器件质量可靠性的影响因素主要表现为PIND和检漏合格率两个方面。

4.1产品PIND合格率

产品内部多余物在产品长期工作稳定性具有较大影响，特别是用在航空航天等需要高速运转的整机上时，内部多余物极易造成短路、芯片表面损伤等潜在失效因素。经分析，影响产品PIND合格率的主要因素有以下两点：

（1）产品在转移过程中，环境中的尘埃、微粒附着在管帽或管座上，导致封帽后形成内部多余物。

（2）产品封帽过程中由于放电产生火花，溅射出的金属颗粒在封帽后形成内部多余物。

4.2提高产品的检漏合格率

产品的漏率直接影响到器件的可靠性，漏率偏大会使外界空气不断进入管壳内部，造成产品内部气体成分不合格，水汽、氧气、氢气、二氧化碳等气体大幅增加，特别是水汽含量的不断增加，最终导致产品漏电流增大而失效。经分析，影响产品漏率的因素主要有以下几点：

（1）零件本身的漏率，若零部件本身漏率达不到要求，那么产品封帽后漏率也肯定达不到要求。

（2）产品封帽电压设置不合理，封帽电压设置过高，易导致焊接部位打火，高温熔融的金属成飞溅状，在焊接边缘形成毛刺，且易导致产品焊接不良。

（3）产品封帽压力设置不合理，封帽压力决定了焊接部位接触电阻的大小，及焊接空洞等因素；压力过大，易导致焊接部位接触电阻偏小，封帽时在焊接部位发热量不足，金属熔融状态不佳，以致焊接不良；压力过小，易导致焊接部位接触电阻过大，产生打火现象，且易产生焊接空洞，影响产品可靠性。

（4）封帽电极控制，封帽电极的设计、维修不合理，均会导致产品焊接不良，如：电极开孔偏大，导致产品焊接环受力不均；开孔偏小，导致产品封帽后不易取出，形成外观损伤。电极的维修也要及时，过度使用的电极，与管壳接触部位易损伤管壳。

五、结束语

封装工艺均为功率器件生产过程中的关键工序，其中封帽工序还是特殊工序，从其对器件质量可靠性的影响因素可以看出，工艺质量对器件质量可靠性影响很大，因此，我们应重视封装工艺质量，从设备更新、工艺攻关、工艺技术状态控制等方面着手，提高工艺质量以便达到提高器件质量可靠性的目的。