CN104833692A - 半导体器件封装结构的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体器件封装结构的检测方法，包括：利用热阻测试仪检测待测的半导体器件封装结构，得到第一微分热阻结构函数曲线；对该封装结构进行失效试验；利用热阻测试仪检测该封装结构，得到第二微分热阻结构函数曲线；比较所得到的两条曲线，若第二曲线相对于第一曲线各点的偏离度均小于或等于偏离度阈值，则该封装结构未失效，若第二曲线相对于第一曲线存在偏离度大于偏离度阈值的点，则该封装结构失效，偏离度大于偏离度阈值的点所在的层结构曲线表示的层结构为该封装结构的失效部位。本发明所提供的方法能够在提高检测结果的准确性、降低检测过程的安全隐患、降低检测成本的基础上，实现对半导体封装器件的无损检测。

Description

半导体器件封装结构的检测方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种半导体器件封装失效的检测方法。

背景技术

半导体器件封装结构一般是由多种材料组成，以IGBT（Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）模块为例，其结构如图1所示，包括：基板101，位于基板101一面上的第一焊层102，位于第一焊层102上的第一金属层103，位于第一金属层103上的陶瓷层104，位于陶瓷层104上的第二金属层，该第二金属层包括相互之间电性绝缘的第一部分105和第二部分106，位于第二金属层的第一部分105上的第二焊层107，位于第二焊层107上的IGBT芯片108，和电连接IGBT芯片108和第二金属层的第二部分106的引线109。

半导体器件在封装过程中可能会引入夹杂物、附着物等杂质，封装结构中出现空洞等问题，在工作过程中施加功率的变化或外界环境温度的变化等因素，这些均会引起封装结构热膨胀系数不同的各种材料产生不同的热应力，进而导致封装结构出现裂纹、分层等问题。当湿度较高或封装结构接触到焊剂、清洁剂等物质时，裂纹、分层等就成为潮气入侵的通路，潮气入侵引起化学反应，会使器件性能劣化，导致半导体器件封装失效。

因此，需要对器件封装结构进行检测，以判断器件封装结构是否失效，并定位失效位置。无损失效分析技术是半导体器件封装结构检测方法的一个主要发展方向，该技术可实现不必打开封装，对待测封装结构进行失效定位和失效分析。

无损失效分析方法可采用不同的技术实现，目前常用的主要有：X射线透视技术和反射式扫描声学显微技术。X射线透视技术是根据待测封装结构不同部位对X射线吸收率和透射率的不同，利用X射线通过待测封装结构各部位衰减后的射线强度，来检测待测封装结构内部缺陷的一种方法；透过待测封装结构各部位材料的X射线的强度随材料对X射线的吸收系数和厚度呈指数衰减，衰减的程度与待测封装结构各部位材料的品种、厚度和密度有关，材料的内部结构和缺陷对应产生灰黑度不同的X射线影像图，通过观察该影像图可实现对待测封装结构的失效定位和分析。扫描声学显微技术是利用超声波在介质中传输时，遇到不同密度或弹性系数的物质，会产生反射回波，而反射回波强度会因为材料密度的不同而有所差异的原理，向待测封装结构输出由压电换能器产生的超声波，将接收到的信号转化成图像，以高密度区为背景，待测封装结构中有空洞、裂缝、不良粘接和分层剥离等问题的位置会产生高的衬度，十分容易从背景中区分出来，得到失效定位和分析的结果。

上述两种对半导体器件封装结构的检测方法虽然能够做到无损检测，但是，X射线透视技术中，X射线对某些密度大的金属合金（如：含铅金属、过厚的材料）等并不能有效的穿透，导致检测结果不准确，且X射线在使用过程中存在安全隐患，而扫描声学显微镜技术中，所用到的压电换能器价格昂贵且需要保养，导致检测成本较高。

发明内容

本发明提供了一种半导体器件封装结构的检测方法，以在提高检测结果的准确性、降低检测过程的安全隐患、降低检测成本的基础上，实现对半导体封装器件的无损检测。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种半导体器件封装结构的检测方法，包括：利用热阻测试仪检测待测的半导体器件封装结构，得到所述半导体器件封装结构的第一微分热阻结构函数曲线，所述第一微分热阻结构函数曲线包括多段首尾相连的层结构曲线，每段所述层结构曲线均表示所述半导体器件封装结构的一层结构；对所述半导体器件封装结构进行失效试验；利用热阻测试仪检测所述半导体器件封装结构，得到所述半导体器件封装结构的第二微分热阻结构函数曲线，所述第二微分热阻结构函数曲线包括多段首尾相连的层结构曲线，每段所述层结构曲线均表示所述半导体器件封装结构的一层结构；比较所述第一微分热阻结构函数曲线和第二微分热阻函数曲线，若所述第二微分热阻结构函数曲线相对于所述第一微分热阻结构函数曲线各点的偏离度均小于或等于偏离度阈值，则判断所述半导体器件封装结构未失效，若所述第二微分热阻结构函数曲线相对于所述第一微分热阻结构函数曲线存在偏离度大于所述偏离度阈值的点，则判断所述半导体器件封装结构失效，偏离度大于所述偏离度阈值的点所在的层结构曲线表示的层结构为所述半导体器件封装结构的失效部位。

优选的，所述偏离度阈值小于或等于30%。

优选的，所述偏离度阈值小于或等于10%。

优选的，每段所述层结构曲线的斜率的变化范围为-0.2～0.2。

优选的，所述失效试验的持续时间为3～24小时。

优选的，所述半导体器件封装结构包括：基板；位于所述基板一面上的第一焊层；位于所述第一焊层上的第一金属层；位于所述第一金属层上的陶瓷层；位于所述陶瓷层上的第二金属层，所述第二金属层包括相互之间电性绝缘的第一部分和第二部分；位于所述第二金属层的第一部分上的第二焊层；位于所述第二焊层上的半导体芯片；电连接所述半导体芯片和所述第二金属层的第二部分的引线。

优选的，所述第一微分热阻结构函数曲线和第二微分热阻结构函数曲线均包括7段所述层结构曲线。

优选的，所述半导体芯片为绝缘栅双极型晶体管芯片。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明所提供的半导体器件封装结构的检测方法，利用热阻测试仪测试得到半导体器件封装结构正常时和进行失效试验后的微分热阻结构函数曲线。由于封装结构中各层结构的材料不同，沿半导体芯片至基板这一热流传导路径，各层结构的热容和热阻也各不相同，因此两条曲线均包括多段首尾相连的层结构曲线，每段层结构曲线均表示封装结构中的一层结构，对比两条曲线，若两条曲线基本重合（即各处变化趋势基本相同）则说明半导体器件封装结构进行失效试验后的热传导性质与正常情况下相同，即该半导体器件未失效，若两条曲线在某处的偏差较大，则说明该半导体器件封装结构进行失效试验后的热传导性质产生了变化，封装结构中可能存在裂纹、分层等问题，即该半导体器件已经失效，出现较大偏差的部位所表示的层结构即为该半导体器件封装结构的失效位置。相对于现有技术中的利用X射线透视技术检测半导体器件封装结构的方法，本发明所提供的方法避免了X射线对某些密度大的金属合金等并不能有效的穿透导致检测结果不准确和X射线存在安全隐患的问题，相对于现有技术中的反射式扫描声学显微镜，本发明所提供的方法所需要的设备仅为热阻测试仪，其价格和所需的保养成本低得多，因此，本发明所提供的方法能够在提高检测结果的准确性、降低检测过程的安全隐患、降低检测成本的基础上，实现对半导体封装器件的无损检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中半导体器件封装结构的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的积分热阻结构函数曲线图；

图3为本发明实施例所提供的微分热阻结构函数曲线图；

图4为本发明实施例所提供的第一微分热阻结构函数曲线与第二微分热阻结构函数曲线的对比图；

图5为本发明实施例所提供的一种半导体器件封装结构的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本实施例提供了一种半导体器件封装结构的检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：利用热阻测试仪检测待测的半导体器件封装结构，得到半导体器件封装结构的第一微分热阻结构函数曲线，所述第一微分热阻结构函数曲线包括多段首尾相连的层结构曲线，每段所述层结构曲线均表示所述半导体器件的一层结构。

半导体器件封装结构的热阻包括其各层结构本身所具有的热阻和各层结构相互接触的交界面所存在的接触热阻。根据各层结构的材质、形状、尺寸等已知信息，能够确定各层结构的热阻。决定各层结构之间的接触热阻的因素很多，包括交界面的平整程度、正压力、光洁度、温度、连接层工艺等，这些因素通常与接触热阻呈非线性关系，且会随实际情况和环境变化而变化。因此，一旦半导体器件封装结构产生裂纹、分层等失效现象，其热阻也会发生变化，通过分析封装结构的热阻变化，能够得到封装结构是否失效。

获得热阻结构函数曲线可利用热阻测试仪对待测的半导体器件封装结构进行瞬态热阻抗测试，得到瞬态热阻曲线（即结温变化曲线），进而得到热阻结构函数曲线。

所谓热阻结构函数曲线具体是指表示半导体器件封装结构的热容与热阻关系的曲线，包括积分热阻结构函数曲线和微分热阻结构函数曲线。其中，积分热阻结构函数曲线可如图2所示，x轴表示热阻R，y轴表示热容C。曲线上靠近y轴的区域表示实际热流传导路径上接近半导体器件封装结构中芯片（具体是指芯片的有源区）的层结构，远离y轴的区域表示热流传导路径上远离芯片的层结构，曲线的末端趋向于一条垂直的渐近线，此时表示热流传导到了空气中，由于空气的体积无穷大，因此热容也就无穷大。曲线上平坦的区域（即斜率小的区域）表示封装结构内部热阻大、热容小的层结构，陡峭的区域（即斜率大的区域）表示封装结构内部热阻小、热容大的层结构，即积分热阻结构函数曲线上不同的斜率对应着半导体器件封装结构中不同的层结构。

将上述积分结构函数曲线做微分，能够得到半导体器件封装结构的微分结构函数曲线，如图3所示，x轴表示热阻R，y轴表示的值K。曲线上靠近y轴的区域表示实际热流传导路径上接近半导体器件封装结构中芯片（具体是指芯片的有源区）的层结构，远离y轴的区域表示热流传导路径上远离芯片的层结构，曲线的末端趋向于一条垂直的渐近线，此时表示热流传导到了空气层，由于空气的体积无穷大，因此热容无穷大，微分值K也就无穷大。在所示微分热阻结构函数曲线中，斜率相同或在较小范围内波动的一段表示半导体器件封装结构的一种层结构，斜率发生明显变化的拐点表示两种层结构的交界处，即波峰与波谷的拐点表示两种层结构的交界处，整个微分热阻结构函数曲线中最靠近y轴的一段层结构曲线为封装结构的芯片层，进而可依序确定曲线中各区域所表示的层结构，因此利用微分热阻结构函数曲线能够更清楚方便的识别半导体器件封装结构内部的各层结构。

需要说明的是，理想条件下，半导体器件封装结构中相同层结构表现在微分热阻结构函数曲线中的斜率应该是相同的，但是由于测试条件的不稳定性、测试仪器的精度等问题，实际测试所得微分热阻结构函数曲线中，表示封装结构不同层结构的层结构函数曲线的斜率并不完全相同，其会在一定范围内波动，因此，在分析微分热阻结构函数曲线的过程中，曲线的斜率在较小范围内波动也可认为代表相同的层结构，该较小的波动范围视所表示的层结构的材料、仪器测试精度等实际因素而定，只有在曲线的斜率发生明显变化（如：由正值变换为负值，即曲线由上升的变化趋势变为下降的变化趋势）时，认为所表示的层结构发生了变化。本实施例中，每段层结构曲线的斜率的变化范围（即波动范围）优选的可为-0.2～0.2。

通过步骤S1所得到第一微分热阻结构函数曲线为待测的半导体器件封装结构正常状态下的微分热阻结构函数曲线。

步骤S2：对半导体器件封装结构进行失效试验。

失效试验包括：高低温冲击试验、功率循环试验、高压蒸煮试验等，失效试验的持续时间可根据对该待测半导体器件封装结构的质量要求等实际情况确定，若对封装结构的质量要求较高，则可适当延长失效试验的持续时间，若对封装结构的质量要求不是很高，则可适当缩短失效试验的持续时间。本实施例中，失效试验的持续时间优选的可为3～24小时。

如果半导体器件封装结构的可靠性较低，对其进行完失效试验后，其内部会产生裂纹、分层等失效现象。

步骤S3：利用热阻测试仪检测所述半导体器件封装结构，得到该半导体器件封装结构的第二微分热阻结构函数曲线，该第二微分热阻结构函数曲线包括多段首尾相连的层结构曲线，每段层结构曲线均表示半导体器件封装结构的一层结构。

通过步骤S3所得到第二微分热阻结构函数曲线为待测的半导体器件封装结构进行了失效试验后的微分热阻结构函数曲线。

步骤S4：比较所述第一微分热阻结构函数曲线和第二微分热阻函数曲线，若所述第二微分热阻结构函数曲线相对于所述第一微分热阻结构函数曲线各点的偏离度均小于或等于偏离度阈值，则判断所述半导体器件封装结构未失效，若所述第二微分热阻结构函数曲线相对于所述第一微分热阻结构函数曲线存在偏离度大于所述偏离度阈值的点，则判断所述半导体器件封装结构失效，偏离度大于所述偏离度阈值的点所在的层结构曲线表示的层结构为所述半导体器件封装结构的失效部位。

具体的，第一微分热阻结构函数曲线与第二微分热阻结构函数曲线的对比可如图4所示，图中x轴表示热阻R，y轴表示的值K（其中，C表示热容），曲线aa`为第一微分热阻结构函数曲线（即半导体器件封装结构正常状态下的微分热阻结构函数曲线），曲线bb`为第二微分热阻结构函数曲线（即半导体器件封装结构进行失效试验后的微分热阻结构函数曲线）。两曲线中，起始位置区域斜率相同或斜率在较小范围内波动的一段层结构曲线表示半导体器件封装结构的芯片层，结束位置区域斜率趋近于无限大的部分表示半导体器件封装结构远离芯片一侧的空气，从曲线的起始端至结束端的各层结构曲线依序表示从芯片层至远离芯片层方向上半导体器件封装结构的各层结构。

比较第二微分热阻结构函数曲线bb`与第一微分热阻结构函数曲线aa`在相同热阻R下的斜率，并得到二者差值，将该差值作为第二微分热阻结构函数曲线bb`相对于第一微分热阻结构函数曲线aa`的偏离度，若所得到的偏离度小于或等于偏离度阈值，则说明该热阻R下的第二微分热阻结构函数曲线bb`与第一微分热阻结构函数曲线aa`的变化趋势基本相同。

同样的道理，得到其它热阻R下曲线bb`相对于曲线aa`的偏离度，若所有热阻R下曲线bb`相对于曲线aa`的偏离度均小于或等于偏离度阈值，曲线bb`与曲线aa`在相同位置处的斜率（即变化趋势）基本相同，表现在图中，两曲线基本重合，则说明半导体器件封装结构进行失效试验后的热阻性质与在正常状态下的热阻性质基本相同，该半导体器件封装结构未失效。

若某一热阻R时，曲线bb`相对于曲线aa`的偏离度大于偏离度阈值，曲线bb`与曲线aa`的相同位置处的斜率明显不同（即变化趋势），表现在图中，两曲线明显不重合，则说明半导体器件封装结构进行失效试验后的热阻性质相对于正常状态下的热阻性质产生了变化，该半导体器件封装结构的可靠性较差，在进行失效试验后发生空洞、裂缝、分层等失效现象，致使热阻发生变化，热流传导路径改变，曲线bb`相对于曲线aa`分离，偏离度发生明显变化处所在的层结构曲线表示层结构即为该半导体器件封装结构的失效部位。

如图4所示，曲线aa`和曲线bb`中起始段表示半导体器件封装结构的芯片层，两曲线芯片层的层结构曲线是重合的，即该封装结构的芯片层未失效，假设与芯片层的层结构曲线相连接的一段层结构曲线表示焊料层，曲线bb`中的焊料层层结构曲线相对于曲线aa`的焊料层层结构曲线发生明显变化，说明封装结构的失效部位为焊料层。

需要说明的是，本实施例对判断半导体器件封装结构是否失效的标准：偏离度阈值并不限定，偏离度阈值的大小可根据实际对封装结构的质量要求不同确定，若对封装结构的质量要求较高，则可适当的缩小偏离度阈值的大小，若对封装结构的质量要求不高，则可适当的扩大偏离度阈值的大小。所述偏离度阈值优选的可小于或等于30%，若对封装结构的质量要求较严格，则偏离度阈值优选的可小于或等于10%。

本实施例所提供的检测方法适用于各种结构的半导体器件封装结构。优选的，本实施例所提供的半导体器件封装结构可包括：基板；位于基板一面上的第一焊层；位于第一焊层上的第一金属层；位于第一金属层上的陶瓷层；位于陶瓷层上的第二金属层，所述第二金属层包括相互之间电性绝缘的第一部分和第二部分；位于第二金属层的第一部分上的第二焊层；位于第二焊层上的半导体芯片；电连接半导体芯片和第二金属层的第二部分的引线。上述半导体器件封装结构共包括7层结构，相对应的检测过程中所得到的第一微分热阻结构函数曲线和第二微分热阻结构函数曲线均包括7段层结构曲线。

本实施例所提供的半导体器件封装结构还可以为其它结构，如图5所示，该半导体器件封装结构可包括：散热器501；位于散热器501一面上的导热硅脂502；位于导热硅脂502上的金属层503；位于金属层503上的焊料层504；位于焊料层504上的芯片505。上述半导体器件封装结构共包括5层结构，相对应的检测过程中所得到的第一微分热阻结构函数曲线和第二微分热阻结构函数曲线均包括5段层结构曲线。

本实施例所提供的半导体器件封装结构中所包含的半导体芯片可为绝缘栅双极型晶体管芯片。

本实施例所提供的半导体器件封装结构的检测方法，利用热阻测试仪测试得到半导体器件封装结构正常时和进行失效试验后的微分热阻结构函数曲线，然后对比分析两曲线，若两条曲线基本重合（即各处变化趋势基本相同）则说明半导体器件封装结构进行失效试验后的热传导性质与正常情况下相同，即该半导体器件未失效，若两条曲线在某处的偏差较大，则说明该半导体器件封装结构进行失效试验后的热传导性质产生了变化，封装结构中可能存在裂纹、分层等失效问题，出现较大偏差的部位所表示的层结构即为该半导体器件封装结构的失效位置。通过上述方法实现了对半导体器件封装结构的无损检测。

本实施例所提供的检测方法相对于现有技术中的利用X射线透视技术检测半导体器件封装结构的方法，避免了X射线对某些密度大的金属合金等并不能有效的穿透导致检测结果不准确和X射线存在安全隐患的问题；相对于现有技术中利用反射式扫描声学显微镜检测半导体器件封装结构的方法，本实施例中的方法所需要的设备仅为热阻测试仪，其价格和所需的保养成本较反射式扫描声学显微镜低得多。因此，本实施例所提供的方法能够在提高检测结果的准确性、降低检测过程的安全隐患、降低检测成本的基础上，实现对半导体封装器件的无损检测，以对半导体器件封装结构进行可靠性筛选，并进一步根据检测结果对半导体器件封装结构的封装材料和封装工艺进行优化。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种半导体器件封装结构的检测方法，其特征在于，包括：

利用热阻测试仪检测待测的半导体器件封装结构，得到所述半导体器件封装结构的第一微分热阻结构函数曲线，所述第一微分热阻结构函数曲线包括多段首尾相连的层结构曲线，每段所述层结构曲线均表示所述半导体器件封装结构的一层结构；

对所述半导体器件封装结构进行失效试验；

利用热阻测试仪检测所述半导体器件封装结构，得到所述半导体器件封装结构的第二微分热阻结构函数曲线，所述第二微分热阻结构函数曲线包括多段首尾相连的层结构曲线，每段所述层结构曲线均表示所述半导体器件封装结构的一层结构；

比较所述第一微分热阻结构函数曲线和第二微分热阻函数曲线，若所述第二微分热阻结构函数曲线相对于所述第一微分热阻结构函数曲线各点的偏离度均小于或等于偏离度阈值，则判断所述半导体器件封装结构未失效，若所述第二微分热阻结构函数曲线相对于所述第一微分热阻结构函数曲线存在偏离度大于所述偏离度阈值的点，则判断所述半导体器件封装结构失效，偏离度大于所述偏离度阈值的点所在的层结构曲线表示的层结构为所述半导体器件封装结构的失效部位。

2.根据权利要求1所述的半导体器件封装结构的检测方法，其特征在于，所述偏离度阈值小于或等于30%。

3.根据权利要求2所述的半导体器件封装结构的检测方法，其特征在于，所述偏离度阈值小于或等于10%。

4.根据权利要求1所述的半导体器件封装结构的检测方法，其特征在于，每段所述层结构曲线的斜率的变化范围为-0.2～0.2。

5.根据权利要求1所述的半导体器件封装结构的检测方法，其特征在于，所述失效试验的持续时间为3～24小时。

6.根据权利要求1所述的半导体器件封装结构的检测方法，其特征在于，所述半导体器件封装结构包括：

基板；

位于所述基板一面上的第一焊层；

位于所述第一焊层上的第一金属层；

位于所述第一金属层上的陶瓷层；

位于所述陶瓷层上的第二金属层，所述第二金属层包括相互之间电性绝缘的第一部分和第二部分；

位于所述第二金属层的第一部分上的第二焊层；

位于所述第二焊层上的半导体芯片；

电连接所述半导体芯片和所述第二金属层的第二部分的引线。

7.根据权利要求6所述的半导体器件封装结构的检测方法，其特征在于，所述第一微分热阻结构函数曲线和第二微分热阻结构函数曲线均包括7段所述层结构曲线。

8.根据权利要求6所述的半导体器件封装结构的检测方法，其特征在于，所述半导体芯片为绝缘栅双极型晶体管芯片。