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1、MOSFET封裝常見失效的機理討論JennyWuJan,2010本文僅討論與封裝相關(guān)的失效I.DVDS一定偏置條件下Vds的變化值，是考核產(chǎn)品在應用過程中的散熱能力的重要指標。假設不考慮芯片和框架本身的影響，DVDS的大小取決于封裝后的焊料層的情況。經(jīng)學者分析，整體空洞和單個空洞的大小對DVDS均有明顯的影響。機理討論1-最高結(jié)溫的限制引自唐穗生－功率MOSFET的封裝失效分析事實上,空氣的導熱性能遠不如金屬和合金焊料。當焊料中存在空洞時,芯片與框架的接觸面積和散熱情況將受到影響,從而導致芯片局部溫度升高,此后PN結(jié)的結(jié)溫也同時升高。由于
2、材料的最高結(jié)溫是一定的(如硅材料的最高結(jié)溫Tjm=6400/(10.45+lnρ)),而PN結(jié)的正向電流與溫度成正比關(guān)系[1][2]:I∝e–(Eg-qV)/kT。因此,當結(jié)溫升高時,其結(jié)電流就會進一步加大,從而將造成惡性循環(huán)使結(jié)溫超過最高限制值而燒毀芯片。因此,合理控制裝配過程中的焊料空洞,就能提高芯片的散熱性能,從而使器件的溫升降低,工作性能更有保障。機理2－應力裂紋有學者利用計算機有限元模擬了器件的散熱過程。當熱傳遞到芯片/焊料界面時，如果界面接觸良好，熱將直接傳到散熱片上，散熱片將熱量散發(fā)出去，從而達到散熱目的。當焊料中有空洞存在
3、時，空氣的熱阻擋作用使得此區(qū)域的熱傳導性能下降，無法散發(fā)出去的熱將積累并聚集在此區(qū)域。經(jīng)過一定周期的熱循環(huán)之后，熱集中將使此局部區(qū)域溫度升高?？斩粗袣怏w的存在會在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生收縮和膨脹的應力作用，空洞存在的地方成為應力集中點，并成為產(chǎn)生應力裂紋的根本原因。熱集中加劇了裂紋擴展并導致芯片短路，在大電流的沖擊下最終導致芯片發(fā)生EOS?？諝鉃闊岬牟涣紝w空洞的存在熱集中局部溫度升高氣體產(chǎn)生收縮和膨脹應力應力集中熱集中產(chǎn)生應力裂紋，裂紋擴展大電流沖擊芯片發(fā)生EOS總結(jié)IIshort與封裝相關(guān)的失效原因：芯片碎裂、crateringunderg
4、ateorsourcewirebonds、濕氣進入、gatewiremisplaced、ESD等Overbonding芯片內(nèi)部的BPSG甚至Si層被損壞芯片碎裂的機理：內(nèi)因：芯片本身的強度外因：應力集中內(nèi)因－芯片強度芯片強度呈正態(tài)分布，應設法將較低強度的芯片盡早剔除。引起應力集中的原因分層封裝體中各種材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，瞬間受熱時引起分層，嚴重時引起芯片裂紋。封裝樹脂耐濕性差，受熱時水分氣化體積倍增，使得界面發(fā)生剝離，嚴重時引起裂紋劃痕減薄、劃片、裝片過程。III.雪崩擊穿三極管的工作原理晶體管：用不同的摻雜方式在同一個硅片上制造出三
5、個摻雜區(qū)域，并形成兩個PN結(jié)，就構(gòu)成了晶體管.為電流控制的器件。僅需很小的電流維持基極－發(fā)射極的正向偏置，即可開啟BJT，在集電極引出端獲得很大的輸出電流。晶體管分類：NPN型管和PNP型管三極管的輸出特性曲線輸出特性曲線：描述基極電流IB為一常量時，集電極電流iC與管壓降uCE之間的函數(shù)關(guān)系。輸出特性可分為三個區(qū)★截止區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置。IE?0，IC?0，UCE?EC，管子失去放大能力。如果把三極管當作一個開關(guān)，這個狀態(tài)相當于斷開狀態(tài)?！镲柡蛥^(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置。在飽和區(qū)IC不受IB的控制，管子失去放大作用，UC
6、E?0，IC=EC／RC，把三極管當作一個開關(guān)，這時開關(guān)處于閉合狀態(tài)?！锓糯髤^(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。在嚴峻的動態(tài)條件下，du/dt通過相應電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時這個寄生的雙極性晶體管就會起動，有可能給MOSFET帶來損壞。二極管的工作原理穩(wěn)態(tài)下的工作：正向?qū)?，反向截止但當其反向電壓大于反向擊穿電壓時，二極管就會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。二極管的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿。導致反向擊穿的一個機制是avalanchemultiplicationPN結(jié)的動態(tài)特性很復雜，在一段時間內(nèi)可能會失去反向阻斷的功能。Avalanchemultip
7、lication導致反向擊穿的一個機制是avalanchemultiplication?？紤]一個反向偏置的PN結(jié)。耗盡區(qū)隨著偏置上升而加寬，但還不夠快到阻止電場的加強。強大的電場加速了一些載流子以非常高的速度穿過耗盡區(qū)。當這些載流子碰撞到晶體中的原子時，他們撞擊松的價電子且產(chǎn)生了額外的載流子。因為一個載流子能通過撞擊來產(chǎn)生額外的成千上外的載流子就好像一個雪球能產(chǎn)生一場雪崩一樣，所以這個過程叫avalanchemultiplication。反向擊穿的另一個機制是tunneling。Tunneling是一種量子機制過程，它能使粒子在不管有任何
8、障礙存在時都能移動一小段距離。如果耗盡區(qū)足夠薄，那么載流子就能靠tunneling跳躍過去。Tunneling電流主要取決于耗盡區(qū)寬度和結(jié)上的電壓差。Tunneling引起的反向擊穿稱為齊納擊
