張金彪，王 蓬

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

塑封功率器件封裝失效分析技術(shù)研究

張金彪，王 蓬

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

功率器件是工業(yè)生產(chǎn)中一類重要的基礎(chǔ)器件，其質(zhì)量及可靠性水平深受廣大學(xué)者關(guān)注。文章通過對(duì)功率器件封裝形式、失效誘因及國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)功率器件塑封封裝失效的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)分析研究提供參照。

功率器件；封裝失效；研究進(jìn)展

功率半導(dǎo)體技術(shù)是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。功率半導(dǎo)體器件廣泛地應(yīng)用于電信、手機(jī)、家電、汽車等行業(yè)，是一種不可或缺的基礎(chǔ)性產(chǎn)品。隨著功率器件的大功率化、高頻化、集成化發(fā)展，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用環(huán)境日漸復(fù)雜，工作中受到的應(yīng)力逐漸增加。而良好的器件封裝有助于保證器件的可靠性水平，因此本文對(duì)功率器件的封裝失效原因、研究進(jìn)展等進(jìn)行分析，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供參考。

1 功率器件的封裝形式

功率器件的封裝形式多種多樣，但是因?yàn)樗芰戏庋b在成本、尺寸、重量等方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，因此工業(yè)上功率器件多采用塑料封裝。同時(shí)，因?yàn)樗芰戏庋b的可靠性近年來有了很大提升，在航天、軍工等領(lǐng)域亦受到越來越多的關(guān)注，因此對(duì)功率器件塑料封裝進(jìn)行研究，提高其使用可靠性具有一定實(shí)際意義。常見功率器件封裝形式如圖1所示。

圖1 常見功率器件封裝形式

1.1 螺栓型、平板型封裝

螺栓型及平板型封裝作為傳統(tǒng)的大功率半導(dǎo)體器件封裝形式，多年以來一直沿用至今。螺栓型和平板型封裝模式外殼和管芯的接觸方式有所不同，平板型結(jié)構(gòu)是通過壓接方式實(shí)現(xiàn)的，可采用雙面散熱，而螺栓型是通過焊接或壓接的方式將管芯和外殼進(jìn)行連接。在這兩種封裝形式的發(fā)展中，平板型結(jié)構(gòu)也可以通過雙面散熱進(jìn)行，其封裝多由金屬和陶瓷組成。

1.2 功率模塊

近年來，單個(gè)IGBT，雙IGBT，IGBT三相橋等IGBT模塊日漸普及。功率模塊封裝集成度高、形式多樣，如模塊內(nèi)部可將保護(hù)、觸發(fā)及控制電路與IGBT進(jìn)行連接。對(duì)于功率較小的情況下，可以采用MOSFET模塊。此外，多芯片模塊是一個(gè)新的方向，功率模塊封裝材質(zhì)可以是陶瓷、金屬或塑料，視器件應(yīng)用環(huán)境的可靠性要求而定。

1.3 塑封直列式封裝

塑封直列式封裝常見的封裝形式有TO-220及TO-247等，如圖1（a）（b）所示。此種封裝形式已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)大電流的傳輸，如IR公司采用的Super TO-247封裝形式就是典型代表，最高允許電流可達(dá)210 A。同時(shí)，通過器件反面的散熱銅板將器件散發(fā)的熱量，傳導(dǎo)至PCB板或者金屬散熱器，有效降低了器件內(nèi)部的溫升，保證器件具有良好的散熱能力。

1.4 塑封表貼封裝

此種封裝形式是20世紀(jì)80年代以后發(fā)展起來的，能夠?qū)崿F(xiàn)器件的小型化，易于提高生產(chǎn)效率。一部分是將直列式封裝改為表面貼裝，典型代表是SMD-220；另一部分是沿用表貼集成電路的封裝形式，最早多采用DIP封裝形式，如IR公司至今仍采用該種封裝，如圖1（d）所示，但更為常見的封裝形式為Mirco-8和SO-8，如圖1（c）所示。通過借鑒集成電路封裝形式，標(biāo)貼塑封功率器件的引腳數(shù)逐漸增多，能夠有效地提高器件散熱能力。

1.5 高可靠封裝

對(duì)于航天以及軍工行業(yè)而言，因其對(duì)器件的可靠性要求較高，因此器件封裝多采用金屬封裝。

2 功率器件塑料封裝常見失效模式

2.1 早期失效

早期失效主要是由塑封工藝不完善以及工藝缺陷導(dǎo)致的，失效主要發(fā)生在芯片焊接、引線鍵合及注塑等工藝過程中。目前，隨著塑封封裝材料及工藝的不斷發(fā)展，塑封器件的早期失效率已經(jīng)得到本質(zhì)上的提升，試驗(yàn)表明經(jīng)1 000次溫度循環(huán)試驗(yàn)，塑封與氣密性封裝器件的電性能參數(shù)相差無幾，因此，當(dāng)前在航天和軍工領(lǐng)域，塑封器件均已經(jīng)進(jìn)行了一定的應(yīng)用，如美國TIMED項(xiàng)目中采用了2 GB的塑封固體記錄儀，我國神州4號(hào)飛船中采用塑封工藝的熱電偶放大器AD594C等。但是，無法否認(rèn)塑封封裝受限于其材料特性，在使用過程中仍易受到潮濕及熱應(yīng)力影響導(dǎo)致失效，因此本文主要關(guān)注塑封器件的使用期失效。

2.2 使用期失效

塑封器件在使用過程中會(huì)經(jīng)受各種環(huán)境及工作應(yīng)力而導(dǎo)致失效，主要分為熱應(yīng)力失效及濕度應(yīng)力失效。

2.2.1 熱應(yīng)力失效

熱應(yīng)力失效是由于組成器件的各材料間膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的失效；由于塑封功率器件內(nèi)部的材料熱膨脹系數(shù)存在一定的差異，在高溫及溫循條件下，封裝內(nèi)部容易形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)則會(huì)引起分層及開裂，從而導(dǎo)致失效。需要注意的是環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度比較低，與功率器件的工作溫度較為接近，因此，在該溫度下，塑封封裝的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量會(huì)產(chǎn)生較為明顯的變化，從而導(dǎo)致器件工作狀態(tài)的不穩(wěn)定乃至失效，如封裝分層等。這將加速濕氣的滲透，進(jìn)而導(dǎo)致芯片金屬化層或鈍化層的破損；在芯片散熱不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹脂碳化，造成短路，此外，長期在熱應(yīng)力作用下，還將導(dǎo)致器件的焊球等疲勞失效。

2.2.2 濕度應(yīng)力失效

濕度應(yīng)力失效主要是濕氣滲透到器件內(nèi)部導(dǎo)致的失效，潮濕氣體通過塑封器件的粘接界面或環(huán)氧樹脂進(jìn)入到器件內(nèi)部，可以導(dǎo)致芯片表面或引線的腐蝕，從而導(dǎo)致功率器件電性能參數(shù)的退化及失效。同時(shí)，引線的腐蝕還將加劇粘接界面上環(huán)氧樹脂的離解，使得濕氣更加容易進(jìn)入器件里面。此外，若塑封功率器件長期處于潮濕環(huán)境時(shí)，環(huán)氧樹脂和芯片粘接材料吸收濕氣會(huì)降低黏結(jié)強(qiáng)度，在器件PCBA過程中，器件溫度迅速升至240 ℃左右，將會(huì)發(fā)生“爆米花”效應(yīng)，造成引線、焊球移位、脫落甚至斷裂，更有甚者會(huì)造成封裝開裂及芯片損壞。

3 功率器件塑封封裝失效試驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型仿真研究

塑封功率器件應(yīng)用范圍廣泛，而其封裝的可靠性直接影響器件質(zhì)量，因此功率器件塑封封裝的失效研究成為當(dāng)下國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者在從多個(gè)角度對(duì)塑封封裝的失效進(jìn)行了研究，部分學(xué)者通過試驗(yàn)的方式展開分析，還有部分學(xué)者通過數(shù)學(xué)建模仿真的方式進(jìn)行研究，本文從以上兩個(gè)方面對(duì)國內(nèi)外封裝失效研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，以期對(duì)專業(yè)人員開展相關(guān)研究提供參考。

3.1 功率器件塑封封裝失效的試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究的目的為通過觀察塑封封裝材料在環(huán)境應(yīng)力下的變化及導(dǎo)致器件失效的過程，通過優(yōu)化封裝材料及工藝過程，從而提高器件可靠性，一般分為兩方面。

3.1.1 環(huán)境條件對(duì)封裝材料的影響

（1）濕度的影響，Li等通過對(duì)環(huán)氧樹脂材料性能改進(jìn)以及改進(jìn)后材料的吸水性及應(yīng)力變化等進(jìn)行試驗(yàn)觀察，得出了水分是導(dǎo)致塑封材料膨脹系數(shù)等參數(shù)變化的一種誘因，同時(shí)改進(jìn)封裝材料有助于提高器件的可靠性；（2）溫度的影響，Boudefel等通過高溫及溫循試驗(yàn)等方式，驗(yàn)證環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)、膨脹系數(shù)、彈性模量等電學(xué)、力學(xué)性能參數(shù)受溫度顯著影響，改善器件封裝過程及使用溫度，有助于提高器件的可靠性；（3）溫濕度綜合影響：器件在使用過程中，實(shí)際上受到溫度、濕度等多種應(yīng)力影響，Sadeghinia等通過試驗(yàn)表明，在器件封裝過程中溫度及濕度應(yīng)力發(fā)生耦合作用，顯著影響其熱力學(xué)性能。此外，隨著功率器件的大功率化，芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較高熱量，形成應(yīng)力集中從而導(dǎo)致器件失效。而隨著塑封功率器件更多地應(yīng)用于航天、軍工等領(lǐng)域，電場對(duì)其封裝失效的影響逐漸顯露，這將是一個(gè)新的研究方向。

3.1.2 塑封封裝失效演變過程研究

通過對(duì)塑封封裝在多應(yīng)力作用下失效的漸變過程分析，有助于找出導(dǎo)致其失效的誘因，從而改善制程及材料特性。Zhang等在塑封成型材料上預(yù)留V缺口，分別通過施加溫濕度應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力的方式，分析得出了環(huán)氧樹脂在多應(yīng)力耦合的作用下，其裂紋易擴(kuò)展，封裝失效過程加劇。Siow等對(duì)金屬—聚合物界面的分層及界面斷裂過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)溫度加速了界面分層的產(chǎn)生及擴(kuò)展，而界面處的微裂紋缺陷將導(dǎo)致粘接不良，有關(guān)金屬—聚合物界面的研究尚需進(jìn)一步發(fā)掘。

3.2 功率器件塑封封裝失效的數(shù)學(xué)建模仿真研究

數(shù)學(xué)建模仿真研究能夠從理論上快速輔助功率器件封裝失效分析研究。為節(jié)約成本，Hsu采用了有限元模擬結(jié)合Weihull統(tǒng)計(jì)的方法，替代了加速壽命試驗(yàn)，對(duì)器件的平均失效率及加速因子進(jìn)行了預(yù)計(jì)。Kim等利用LS-DYNA3D商業(yè)軟件分析了改善功率器件抗沖擊能力的材料，為改進(jìn)相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

對(duì)于環(huán)境應(yīng)力對(duì)塑封材料失效的影響程度同樣可以采用數(shù)學(xué)建模仿真進(jìn)行研究。Chang等應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)模型對(duì)功率器件塑封封裝吸濕性進(jìn)行了探索，指出其是器件封裝失效的重要因素之一。我國李志剛等采用空穴增長—濕熱應(yīng)力關(guān)系模型，發(fā)現(xiàn)功率器件封裝材料存在缺陷時(shí)更易發(fā)生界面分層。而在溫濕度共同作用下，封裝材料內(nèi)部易產(chǎn)生孔穴并導(dǎo)致分層。Xin等通過分子力學(xué)動(dòng)力模型揭示了聚合物金屬銅界面分層機(jī)理。Guo等建立微觀力學(xué)模型，結(jié)合數(shù)值與增量計(jì)算，揭示了封裝過程真空度、溫度對(duì)界面分層及塑封材料形變的影響。

封裝失效的建模仿真研究具有直觀、快速的優(yōu)點(diǎn)，但是其仿真結(jié)果受限于仿真人員的經(jīng)驗(yàn)和理論水平，故在實(shí)際研究中需要結(jié)合試驗(yàn)研究同步開展。

4 結(jié)語

功率器件作為工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的基礎(chǔ)性產(chǎn)品，其塑封封裝失效獲得普遍關(guān)注。當(dāng)前研究主要為通過試驗(yàn)及數(shù)學(xué)模擬仿真的方法，以高聚物封裝材料作為分析對(duì)象，討論其在環(huán)境應(yīng)力作用下的失效機(jī)理。但是對(duì)多應(yīng)力耦合作用下封裝整體的失效機(jī)理及失效進(jìn)程討論較少，可以作為后續(xù)深入研究的方向。

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Research on failure analysis technology of plastic encapsulated power device package

Zhang Jinbiao, Wang Peng
（Guangzhou Haige Communication Group Co., Ltd., Guanghzou 510663, China）

The power devices are an important kind of basic device in industrial production, the quality and reliability level are paid close attention by the majority of scholars. This paper summarizes the research progress of the package form, encapsulated failure of power device and the experts and scholars at home and abroad on the failure of plastic encapsulated power device package, hoping to provide reference for the related analysis and research.

power devices; package failure; research progress

張金彪（1987— ），男，內(nèi)蒙古赤峰，碩士；研究方向：可靠性設(shè)計(jì)，可靠性試驗(yàn)。