快恢復二極管高溫銅遷移失效產(chǎn)生原理及解決方

  1. 二極管高溫銅遷移失效產(chǎn)生原理
  快恢復二極管由兩部分組成，即二極管硅晶圓和杜美絲銅引線部分，晶圓與杜美絲采取高溫焊接后進行樹脂封裝成型，硅晶圓主要物質(zhì)成分SiO₂，銅在iO₂中擴散速度很快，而且銅是硅的深能級受主雜質(zhì)。擴散到Si中并在Si的禁帶中形成幾個深能級受主能級，這些能級會充當產(chǎn)生復合中心或陷阱而改變非平衡少子的濃度與壽命，如果二極管在制造過程中工藝設計不當，硅晶圓與杜美絲之間實際沒有有效覆蓋阻擋層，在高溫焊接過程中就可能會產(chǎn)生銅遷移，設計必須保證硅晶圓與銅引線之間形成有效阻隔層，隔絕銅原子遷移與Si發(fā)生反應，銅遷移產(chǎn)生原理及發(fā)生反應過程如圖1所示，Si可以和很多金屬形成化合物，二極管晶圓焊接實際使用是目前最通用的杜美絲(銅引線)，當銅因為受到高溫焊接或是高溫環(huán)境時易產(chǎn)生銅原子遷移，如果二極管工藝結(jié)構(gòu)設計沒有對銅與硅晶圓之間采取有效的阻隔，在高溫環(huán)境下銅原子會產(chǎn)生遷移，并從3位置溝道侵入到Si晶圓表面，并與Si發(fā)生反應生成硅酮化合物(硅化銅)Cu₃Si、Cu₄Si。硅化銅性能差電阻率高、會導致二極管漏電流增大(原極與漏極淺結(jié)處產(chǎn)生漏電流)，晶元與杜美絲結(jié)合力大幅度下降。

 
  2. 影響二極管高溫銅遷移產(chǎn)生因素分析
  2.1溫度
  銅產(chǎn)生銅原子并產(chǎn)生遷移溫度大約是從350°開始，溫度越高銅原子運動越活躍，遷移速率越快，受濕度影響很大，該快恢復二極管晶圓實際焊接溫度370°，存在銅原子遷移條件。焊接溫度是很重要影響的因素，生產(chǎn)時一定注意溫度的控制。
 
  2.2引線焊接材質(zhì)
  二極管晶圓焊接使用的引線是銅材質(zhì)，銅材質(zhì)相對鋁材質(zhì)導熱性能好、電阻率低、熱膨脹系數(shù)小、熔點高。但是使用銅材質(zhì)引線就避免不了銅原子產(chǎn)生及遷移。
 
  2.3 硅晶圓表面保護阻隔層覆蓋不到位
  二圾管晶圓表面未形成有效的保護阻隔層，設計應保證晶圓表面特別是邊緣位置必須有效覆蓋防止出現(xiàn)晶圓邊綠位置因為封溝設計、或是制造過程出現(xiàn)問題導致硅晶圓實際沒有有效的覆蓋，為銅原子遷移與硅發(fā)生反應提供充足條件。
 
  3. 二極管高溫銅遷移失效解決方案
  二極管過電失效經(jīng)過分析是二極管晶圓焊接產(chǎn)生高溫銅遷移失效、防止銅遷移產(chǎn)生有效手段通過在硅與銅直接建立起有效的阻隔層，一般方法是銅引線部分使用鎳進行鍍層，防止銅原子遷移，二極管晶圓表面形成有效保護層，可以有效隔離遷移過來銅原子，避免產(chǎn)生還原化學反應。銅硅之間增加活性差的難溶金屬SIN、Ta、Ti等。

  經(jīng)過大量實驗驗證最終確定銅遷移整改方案，具體整改方案如下。
 
  3.1改善品圓的設計結(jié)構(gòu)
  有效封住晶圓上的裸漏部分溝道，延長覆蓋長度，即使有銅遷移，也不會流到硅表面，從而社絕生成硅化銅。在晶片表面金屬層增加覆蓋面到45μm從而加強二極管抗壓能力。整改方案如圖2所示。  
  3.2增加銅引線阻隔防護層
  二極管的引腳增加Nl層，使在焊接過程中不會產(chǎn)生銅原子遷移。并起到隔熱作用。
 
  3.3 PCB跨距整改結(jié)果
  安森美35030124二極管MUR180E出現(xiàn)炸板異常問題，經(jīng)過排查分析發(fā)現(xiàn)二極管位置引腳跨距存在差異，會增加器件受力可能，通過排查分忻評估后將D18、D19、D20封裝焊盤間距進行優(yōu)化，將間距由10.16mm更改為1 3.5mm。
 
  4. 結(jié)論
  經(jīng)過將大量過程失效及全檢失效二極管分析，確定全檢制品也有存在晶元有裂紋異常。最終確定二極管失效是廠家生產(chǎn)過程晶元與杜美絲焊接工序存在問題，引腳(銅質(zhì))上的銅在370度的焊接溫度下(在代工廠壓接過程中)，銅原子遷移到晶圓表面，并生成硅化銅，從而導致器件漏電流增大，導致失效的原因是“銅遷移”，由于產(chǎn)生銅遷移導致晶元與杜美絲結(jié)合力大幅度下降，生產(chǎn)過程出現(xiàn)晶元受外在機械應力產(chǎn)生裂紋，后在制造使用過程再次自插剪腳受力導致裂紋程度加重，在整機通電后因器件電性能衰降反向耐壓不足導致二極管擊穿失效，強電直接引入弱電導致硬塊與其他器件過電擊穿失效炸裂。針對二極管銅遷移采取對晶圓表面增加延長覆蓋面積至45 μm及引線鍍鎳有效解決銅原子遷移與硅發(fā)生還原反應，解決二極管高溫銅遷移失效不良。



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