CN108717937B - 模塑环氧封装高可靠性半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力模塑环氧封装半导体器件，包括芯片组件、设于所述芯片组件周围的环氧树脂封装中，其特征在于：所述芯片组件暴露于环氧树脂封装中的导电部分，附接的引线，以及其他在不同电位的导电部分之间的最小距离，使得在半导体器件的最大工作电压下，这些部分之间的电场强度不超过
Description
技术领域
本发明涉及压力模塑环氧封装半导体器件，尤其涉及硅基高压高可靠性二极管在高于125℃的高温和高反向偏压条件下的应用。
背景技术
1961年8月1日的美国专利US 2994121，1967年10月17日的美国专利US3348105，1960年9月30日的美国专利US2953730，1962年4月17日的美国专利US3030562公开了压力模塑环氧封装半导体器件的制作工艺。
制作工艺中与封装相关的部分从芯片组件的封装操作本身构建之前开始。大多数环氧封装的半导体器件中包括，或者将芯片触点直接附接/连接至外部引线（包括引线框/衬底上的引线），或者首先将芯片附接到可以用作外部引线之一的引线框架，以及其次将芯片触点连接到外部引线。例如，1962年4月17日的美国专利US8080562或者1996年2月13日的美国专利US5491111。高压器件的这些连接中的至少一个通常焊接制成，采用几乎没有或者主要被视为良性的残留物的免清洗助焊剂。例如，2010年8月3日的美国专利US7767032和2000年8月15日的美国专利US6103549。通常在该步骤之后，在基于环氧树脂的封装介质中对芯片组件进行加压模塑，然后进行后固化。
在半导体行业推出和实施60年以上的封装工艺是基于两个推定的相关性：
首先，塑料封装可以保护芯片组件免受有害环境因素和普通机械损伤的影响；以及
第二，塑料封装是电“惰性”的，即它不以任何方式干扰封装半导体器件的电功能。
因为已知塑料封装对有害环境因素（例如湿度）的保护是不完善的，第一种推定仅被验证为部分有效的，使得密封封装仍然是要求严苛的应用的首选封装。第二种推定仍然为视为普遍有效的，尽管塑料封装存在一些缺陷：例如高频范围内的损耗，由于CTE与相关应力的不匹配而对封装器件的电特性的影响，对被截留的离子的影响，以及其他一些影响。尽管如此，所述器件中普遍存在的可靠性的问题的一般解释仍然使得封装芯片和芯片组件的“钝化”/保护盖中的“移动离子”和“污垢”成为根本原因。
然而，在进一步的观察中发现：高温和反向偏压（HTRB）应力条件下，与未封装的相同芯片和芯片组件相比，现有技术塑料封装的硅二极管表现出明显较高的反向电导和反向电导残余记忆的积聚（即反向电导的测试前和测试后读数之间的差异），最终导致所述器件的退化和/或灾难性故障。值得注意的是：与未封装的芯片组件相反，在塑料封装器件中免清洗助焊剂残留物的存在被发现增强了在HTRB应力测试期间获得的反向电导残余记忆的保留，从而在整个工业范围内对所述残留物的良性性质产生了怀疑。
进一步发现，反向电导残余记忆的积聚与HTRB电压（V）的近似二次方，HTRB持续时间（t）的平方根以及HTRB温度（T）的指数函数相关。反向电导的热扫描解释了滞后现象：所述残余记忆，在断点Tga（大约160-165℃）附近大约15℃带宽内时或者在给定环氧化合物的玻璃化转变温度Tg以下约15℃，明显消除。虽然在反向电导的后续热扫描中没有显示出滞后现象，但重新施加反向偏置会在数秒内回复早期获得的残余记忆的至少90%，此后作为
的函数进行处理。其中，动力学时间常数t在10-40毫秒范围内。
这些观察结果表明：在所述器件中，一种不同的导电机制与预期并行发生。并且，这种事实上在未封装的芯片和芯片组件中观察到作用于p-n结本身。而且，这种额外的导电机制在所述器件处于一定的反向偏置下（例如，电场强度超过临界阈值Ec）被激活。事实上，已经在
时检测到该导电机制。而当Ec在
以上时，该导电机制实际上定义了反向电导，因此，Ec可能被选为一个实际标准。
因此，现有技术的塑料封装半导体器件在HTRB应力测试条件下的短期高温性能和长期可靠性明显都不是由芯片或者芯片组件的性质和特征（例如“钝化”涂层）来定义的，而是通过封装介质中的电场激活电导来定义的。
显然，短期和长期退化现象都不符合高可靠性要求，特别是在125˚C以及更高温度的HTRB测试条件下。因此需要解决所描述的塑料封装半导体器件的退化现象的技术方案。
发明内容
现有技术中塑料封装半导体器件的观察表明：在HTRB应力测试条件下，过度反向电导及其残余记忆的积聚主要不是由器件芯片或芯片组件的性质和特征（例如“钝化”涂层）引起的，而是由于封装环氧基介质中与半导体器件本身并行发生的电场激活的附加导电机制引起的。这可能是由于在密封的芯片组件附近剩余的环氧树脂/酚醛树脂的高维和低维低聚物的辅助电场自组装引起的。
因此，本公开提出了用于提高塑料封装半导体器件的可靠性的技术方案，旨在通过最小化密封介质和芯片组件的界面处的电场强度来弱化或者阻止上述的自组装过程。其可以通过最大限度的减少在芯片组件附近剩余作为共聚物和链间偶联和连接剂的环氧树脂/酚醛树脂的高维和低维低聚物，和/或松香酸，脂族醛和阳离子污染物。如本发明示例性实施方案的详细描述中进一步所示。
本发明要求暴露于芯片的环氧树脂封装的导电部分，附接的引线，以及其他在不同电位的导电部分之间的最小距离，以确保在最大工作电压下，这些部件之间的电场强度不超过
。
具体实施方式
这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。除非另外定义，否则本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，常用术语应该被解释为具有与其在相关领域和本公开内容中的含义一致的含义。本公开将被认为是本发明的示例，并且不旨在将本发明限制到特定实施例。
本发明的示例性实施例基于所提出的控制方法和手段，我们观察到在封装环氧基介质中与封装半导体器件的并行发生的电场激活的附加导电机制，导致在HTRB应力测试条件下经常在这些器件中观察到的、并且传统上归因于“移动离子”和“通道”的过度反向电导及其残余记忆的积聚。
然而反向电导的热扫描表明，随着温度升高（在向上扫描时），活化能（Ea）从低温下的0.1-0.16eV增加至从大约15-25℃到Tga的范围内的0.2-0.22eV。在高于给定环氧化合物的Tg的温度下，进一步增加至约0.58-0.66eV甚至更高。而在向下扫描时，表现出明显的滞后，并且在随后的扫描循环中Ea保持在0.58-0.66eV内。值得注意的是：在断点Tga（大约160-165℃）附近大约15℃的带宽内或者低于给定环氧化合物的玻璃化转变温度Tg约15℃的带宽内，反向电导大幅减小，显示出残余记忆的消除。这些热谱和交流阻抗谱的结果表明：观察到的电导现象并不是半导体芯片的作用，而主要是不同的导电机制的作用，以及离子传导的微弱作用。值得注意的是，这种额外的导电机制在某个反向偏置下被激活，例如电场强度超过
，或在实际应用中
被认为足够大。
然而，这些证据证明：所观察现象的机制可能在成型过程中发展，当向内移动到芯片组件时，代表固化环氧介质中聚合和交联过程的玻璃化转变边界，最终在芯片组件的附近固化留下过量的环氧树脂/酚醛树脂的单维和低维低聚物。然后随着温度的升高，使得所述单维和低维聚合物旋转、振动和平移运动，由电场引起的静电驱动力叠加在介电介质上，由环氧介质（即环氧树脂和酚醛树脂，二氧化硅填料和其他添加剂/污染物）中的组成变化引起的局部介电常数或“电介质差异”的空间变化显然导致了它们的热力学上优选的重新定位，重新对准和基本的辅助电场自组装。然后，通过新形成的一维/二维网络的电子传导明显由链间势垒和链内π-π传输的结合来定义。考虑到所述导电机制的激活可在高于
的电场强度下可检测到，链间势垒的估计高度显然在4-8meV的范围内，只要所述低维低聚物的长度在给定环氧树脂
的预期范围内，这大致对应于这些势垒的理论估计值和实验数据。值得注意的是：所提出的模型还考虑了观察到的反向电导的建立对反向偏置（即电场强度）和温度以及动力学的扩散限制的显著依赖。
在实际考虑的以下示例性实施例中，认为可以接受的是：限制在最大工作电压下，暴露于芯片的环氧树脂封装的导电部分，附接的引线，以及其他在不同电位的导电部分之间的最大电场强度为
。
实施例一
本申请的第一实施例是1mm*1mm尺寸的台面型硅二极管，其包括N型导电硅衬底、具有从顶面扩散形成的P型导电区域、台面区域上的铅-硅酸铝玻璃保护层、分别与区域和区域接触的NiP触点（阴极）和触点（阳极），其通过Ag/Pb/Sn焊料（Dongguan RuntechElectronics Co., Ltd生产的RX-5025-HP）将分别连接到铜外部引线和外部引线的连接和连接组装成芯片组件。该芯片组件在带有二氧化硅填料（Foshan Shenghai ElectronicCo.，Ltd生产的SH-200）的聚合环氧树脂，酚醛树脂和Br-双酚A环氧树脂的轴向引线封装中压模并固化。通过上述工艺形成的半导体器件，其芯片组件的表面的某些部分（例如金属化的部分）是导电的，其芯片组件的表面的某些部分（例如覆盖铅-硅酸铝玻璃保护层的部分）是不导电的。这些导电部分的电位可能相同，也可能不同。本发明要求在半导体器件的芯片组件表面的这些具有不同电位的导电部分之间的距离（例如，本实施例中的路径）足够长，以使得在最大工作电压下，这些导电部位之间的电场强度小于
。在本实施例中，由于该二极管的最大工作电压为1000V，因此根据目前提出的尺寸封装中的指定路径超过330μm（即实际上350μm），因此封装中沿指定路径的电场强度低于
。
对塑料封装器件的观察，基于具有改进的台面槽的深度和宽度并且因此具有不同的尺寸的相似芯片实际上表现出相同的电场强度临界值，虽然在不同的反向偏置水平下。
如本领域平台技术人员将容易理解的那样：台面槽的特定情况配置（即深度和/或宽度）和区域和区域中的P型掺杂剂的空间分布特性都可能影响最终在芯片组件附近的电场强度。
随后对根据本实施例制作的二极管进行的HTRB测试，在1000V和150℃下，显示出的高温反向电导为
，而在指定条件下经过100hr应力后的反向电导的残余记忆被发现低于
。这些结果证明完全符合该类设备目前的可靠性要求并且与现有技术基准相比具有优势：现有技术在类似条件下受到应力和测试时，反向电导和反向电导残余记忆分别为大约
和高于
。虽然还不如相同的未封装芯片和芯片组件，它们的反向电导和反向电导残余记忆分别在
和低于
。值得注意的是，选择
的临界电场强度标准能够充分满足当前的可靠性要求。
基于所述调查的结果，可以通过一些其他方法实现HTRB性能的进一步改进。即，注意到在塑料封装器件中存在免清洗助焊剂残留物的情况下，获得的反向电导记忆的保留与在成型之前经历清洁过程的相同器件相比，获得的反向电导的残余记忆的保留显著增加，而在未封装的芯片组件中没有发现可测量的差异。
例如，另一批相同的芯片组件在加压成型之前经历了两步清洁处理以去除与指定焊料相关的免清洗助焊剂的残留物。也就是说，芯片组件在超声波浴（40KHz）中，50℃温度下，在丙酮（CMOS级
）中浸渍10分钟来清洁，接着在超声波浴（40KHz）中，65℃温度下，在水清洁剂（Haemo-Sol International, LLC.生产的Haemo-Sol-026-50）中浸渍10分钟进行清洁；然后芯片组件在25℃的去离子水中（ρ≥ 14MΩ）漂洗10分钟，在25℃下在异丙酮（CMOS级
）中浸渍5分钟，随后在干燥150℃的N2气氛烘箱中干燥60分钟。此后，将这些芯片组件在带有二氧化硅填料（Foshan Shenghai Electronic Co.，Ltd生产的SH-200）的聚合环氧树脂，酚醛树脂和Br-双酚A环氧树脂的轴向引线封装中压模并固化。
随后对这些二极管进行HTRB测试，在1000V和150℃下，显示出的高温反向电导为
，而在指定条件下经过100hr应力后的反向电导的残余记忆被发现低于
。这些结果与相同的未封装芯片和芯片组件在相同条件下的应力和测试时分别观察到的结果接近，高温反向电导和反向电导残余记忆分别为
和低于
。
尽管已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但应该理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在此做出各种改变，替换和更改。例如，本领域技术人员将容易理解的是，本文所描述的许多特征，功能，过程和材料可以在保持在本公开的范围内的同时被改变。
即本领域技术人员将容易理解，本公开不限于如实施例中所描述的硅二极管，而是在必要的变通上适用于其他设计的基于封装在压力模制环氧封装中的硅和其他半导体材料的平面和器件。此外，也不限于本公开实施例中的高压器件，因为相关性的标准是芯片组件，或者类似结构，封装介质界面附近的电场相对于确定临界值的强度。此外，减缓或抑制辅助电场自组装过程的其他合适的方法和手段被确定为与封装化合物的组成，成型工艺和初步固化的顺序和热特性，以及后固化的条件和顺序。例如，通过将工业典型的3-6MPa的成型压力增加到至少7MPa，或优选8-12MPa；或者通过γ射线照射。显然，本发明中所提出的设计特征和支持装置和方法中的其他变化可以仍然由本领域技术人员以良好的结果实践，由于本发明的基本建议仅包括限制暴露于半导体器件芯片的环氧树脂封装的导电部分，附接的引线，以及其他不同电位的导电部分之间的电场强度低于确定的临界值，因此减缓或者抑制辅助电场自组装现象，即在HTRB应力测试条件下塑料封装半导体器件性能恶化的根本原因。
虽然描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。
Claims (1)
1.一种环氧树脂封装PN结半导体器件，包括芯片组件、设于所述芯片组件周围的环氧树脂封装，其特征在于：为了减少HTRB应力测试条件下过度反向电导及其残余记忆的积聚，
所述芯片组件暴露于所述环氧树脂封装中的导电部分，附接的引线，以及其他不同电位的导电部分之间的最小距离，使得在半导体器件的最大工作电压下，所述芯片组件暴露于所述环氧树脂封装中的不同电位的导电部分之间的电场强度不超过 3*103V/mm。
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