绝缘栅

铝线键合工艺对FSIGBT器件耐压及漏

发布时间:2024/1/24 13:46:52   
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铝线键合工艺对FS-IGBT器件耐压及漏电特性的影响

江伟敖利波梁赛嫦刘勇强

(珠海格力电器股份有限公司通信技术研究院)

摘要:

随着芯片制造技术的不断发展,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片厚度不断减薄,同时为了增加过电流能力,栅极沟槽密度越来越大。芯片结构的变化对封装行业提出了新的挑战,尤其是铝线键合工艺。本文主要介绍了针对沟槽型场截止结构的绝缘栅双极型晶体管(Trench-FSIGBT)的键合技术。通过多次验证实验,深入研究铝线键合工艺对器件耐压及漏电特性的影响,并得出结论:器件的可靠性可以通过键合第一焊点分布、焊线参数及焊线线径大小三个因素来改善。

0引言

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),又称绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,属于高压大电流高频MOS控制型双极晶体管。IGBT因其与生俱来的节能性,在中国倡导节能减排和大力发展新能源的当下备受推崇。

按芯片技术划分,IGBT有PT(PunchThrough,贯穿型)、NPT(NonPunch-Through,非贯穿型)和FS(FieldStop,场截止型)。按栅结构划分,IGBT有平面栅(Planar)和沟槽栅(Trench)两类。平面栅承受短路能力较高,栅极电容较小(约为沟槽栅器件的三分之一);沟槽栅单元面积较小,电流密度较大,通态损耗降低约30%,击穿电压更高。

目前国内市场上使用较多的IGBT芯片为PT+Planar,而本文提及的IGBT芯片结构为FS+Trench,结构图如图1所示。

功率半导体的发展趋势为小体积、高电流密度、低成本。因此,FS+Trench结构的IGBT是未来的发展方向,但是FS+Trench结构生产出的薄晶圆非常柔韧,且随着晶圆变薄,更容易出现晶圆的翘曲和变形,导致生产的芯片机械强度差,给封装带来更大的挑战,特别是焊线工艺。

本文试验方法结合BV曲线及HTRB漏电曲线进行试验,针对铝线键合工艺中的主要条件:第一焊点、键合参数、线径大小,对器件耐压及漏电的影响进行研究。

1铝线第一焊点的方向对器件的影响

对于平面结构的芯片而言,其栅极设计在芯片的表面,芯片较厚,铝线键合时焊点的方向对其影响不大;而沟槽结构的芯片,其栅极为长条状沟槽贯穿芯片,其沟槽间距小至几微米。如果铝线线径按照um计算,一个铝线焊点顺着沟槽方向大约可以压焊在76个到个沟槽上。

若铝线焊接垂直于沟槽方向,按照铝线焊点um长度计算,可以压焊在个到个沟槽上。

1.1试验验证方案设计

验证试验分两组进行,一组焊点平行沟槽,另外一组焊点垂直沟槽。使用IGBT同批次晶圆、相同封装材料(引线框架、焊料、环氧树脂)及各封装阶段的工艺参数保持一致(铝线键合工艺除外)。封装及电性能测试完成后对器件进行BV测试(耐压测试)和高温反偏漏电测试。

1.2试验结果分析

器件耐压测试结果:通过数据可以看出平行沟槽焊线的器件,耐压曲线-℃以下击穿电压偏低;而垂直沟槽焊线的器件,其耐压曲线击穿电压保持在V以上,但高温曲线拐点偏软。测试曲线如图2及图3所示。

高温漏电测试结果:通过数据可以看出平行沟槽焊线的器件,漏电曲线爬升率较大;而垂直沟槽焊线的器件,漏电曲线较平缓,但还是有上升趋势。

2铝线键合参数对器件的影响

铝线键合参数主要是验证Force(压力)、Power(功率)、Time(时间)对器件可靠性的影响。

2.1试验验证方案设计

封装材料不变,采用垂直沟槽焊线方式。验证试验分两组进行,一组采用偏上限参数键合,另外一组采用偏下限参数键合。封装完成后进行器件耐压及高温漏电测试。

2.2试验结果分析

器件耐压测试结果:通过数据可以看出试验1上限参数焊线的器件,耐压曲线偏软。而试验2下限参数焊线的器件,耐压曲线较硬,击穿电压高。

高温漏电测试结果:通过数据可以看出试验1上限参数焊线的器件,漏电曲线爬升率较大。反之试验2下限参数焊线的器件,漏电曲线平缓,但依然有上升趋势。漏电监测曲线如图4及图5所示。

3键合铝线线径对器件的影响

本节中所讨论的键合参数在保证焊接品质的前提下,只能小范围调整。而通过键合铝线线径的改变,不仅可以直接表现为单根铝线与芯片接触面积的改变,也可以表现为键合参数大范围的变化。

3.1试验验证方案设计

验证试验分两组进行,一组采用um普通键合参数;另外一组采用um普通键合参数;封装完成后进行器件耐压及高温漏电测试。

3.2实验结果分析

器件耐压测试结果:通过实验可以看出,实验1um焊线的器件,耐压曲线偏软,击穿电压偏低。反之实验2um焊线的器件,耐压曲线较硬,击穿电压高。

高温漏电测试结果:通过数据可以看出um焊线的器件,漏电曲线爬升率明显。反之um焊线的器件,漏电曲线平缓。漏电监测曲线如图6及图7所示。

4结论

本文分析了铝线键合的三个重要因素——第一焊点方向、键合参数及铝线线径对器件耐压及漏电的影响。通过实验数据可以看出,焊点方向的改变可以改善器件的耐压及高温漏电情况;下限参数键合也可以在一定程度上改善器件的耐压及高温漏电问题;um线径铝线带来的大范围键合参数的改变,能够彻底解决器件耐压曲线偏软、高温漏电偏大的问题。

针对超薄、高密度Trench芯片,铝线工艺需要注意:第一,铝线第一焊点与沟槽方向垂直;第二,在保证过电流能力及焊线效率的前提下,尽量采用小线径多数量的焊线方式。



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