探討采用綠色塑料封裝的功率MOSFET性能

濕度增加會(huì)加快離子雜質(zhì)的流動(dòng)，并造成MOSFET漏電流。大多數(shù)塑封材料都會(huì)滲透潮氣。填充材料會(huì)影響塑封的抗潮能力，這是因?yàn)樘畛洳牧涎娱L(zhǎng)了水分?jǐn)U散的通道，從而降低了水分?jǐn)U散速率。綠色EMC的填充材料含量(86.0%)比非綠色EMC的含量(78.6%)高。由于填充密度高，濕氣到達(dá)裸片表面需要的時(shí)間肯定更長(zhǎng)。這也許是綠色器件中IGSS漂移相對(duì)較小的原因之一。

此外，填充材料也會(huì)引起與器件金屬接觸的模塑化合物腐蝕。存在于固化的模塑化合物中的離子或因環(huán)境惡化產(chǎn)生的離子能夠產(chǎn)生電流，從而助長(zhǎng)腐蝕。而脫水導(dǎo)電測(cè)試表明，經(jīng)填充的環(huán)氧樹脂室溫導(dǎo)電率為0.5~2.8(Ωcm)-1×10-4，70℃時(shí)為7.8~9.1(Ωcm)-1×10-4。導(dǎo)電率的增加是因?yàn)樘畛洳牧暇哂嗅尫烹x子的作用。

在銅鍵合焊球中，鋁鍵合焊盤會(huì)與銅-鋁金屬間化合物形成一個(gè)原電池，并以周圍的潮濕環(huán)境為電解液。這種電偶會(huì)促成鋁的氧化，加快腐蝕過(guò)程。非綠色EMC的溴化阻燃材料高溫時(shí)釋放出的溴亦會(huì)加快腐蝕。溴與其它離子(如氯化物和氟化物)形成電解液。這種電解液不會(huì)腐蝕MOSFET裸片的整個(gè)源極金屬，而是使鍵合焊球的金屬間微結(jié)構(gòu)劣化。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)飛兆半導(dǎo)體分立功率MOSFET器件都在源極金屬中增加了鈦，可以作為防腐屏障。此外，EMC-鋁焊盤與銅-鋁金屬間化合物和鋁焊盤間的界面不同，本身并沒有電偶的作用。鍵合焊球的腐蝕不直接導(dǎo)致失效，但會(huì)增加其鍵合電阻。

圖4 經(jīng)ACLV應(yīng)力后用酸蝕法剖開的非綠色MOSFET器件

圖4所示為接受864小時(shí)的ACLV應(yīng)力后，用酸蝕法剖開的非綠色MOSFET器件的照片(放大17倍)。非綠色EMC并未在整個(gè)裸片表面造成電解腐蝕，而是腐蝕了鍵合焊球下面的金屬。

在形成的原電池中，鋁的還原電勢(shì)(-1.66V)比鋁-銅的(2.00V) 低。因此，鋁焊盤就成為被腐蝕的陽(yáng)極，而鋁-銅金屬間就成為一個(gè)受保護(hù)的陰極。在陽(yáng)極，鋁金屬出現(xiàn)如下的分解：

Al→Al3+ +3e-

Al的腐蝕產(chǎn)物為Al(OH)3：

Al3++3H2O→Al(OH)3 + 3H+

在陰極，水分子被還原為氫氧離子：

2H2O+2e-→H2+2OH-

EDX分析發(fā)現(xiàn)，剛鍵合的銅焊球與鋁鍵合焊盤形成了CuAl2金屬間相，CuAl2為四方晶體，呈淺黃色，電阻率為7~8mΩ·cm。在121℃的ACLV溫度較低，不足以引起鋁到銅間的互擴(kuò)散。因此，施加ACLV應(yīng)力對(duì)金屬間層的生長(zhǎng)可忽略不計(jì)。甚至在施壓864小時(shí)后，金屬間相和厚度都保持不變。