1、功率裸芯片的测试与老化筛选技术电子产品可靠性与环境试验 VoL25No.6Dec.,2007功率裸芯片的测试与老化筛选技术刘林春一,孔学东,黄云(1.广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510075;2.信息产业部电子第五研究所,广东广州 510610)摘要:由于存在高温度,大电流等问题,传统的测试与老化筛选功率管的方法不能完全适用于功率裸芯片介绍了采用 缶时封装夹具来测试与老化筛选功率裸芯片的技术,并根据功率裸芯片的实际情况阐述了测试与筛选功率裸芯片的方法.关键词:已知良好芯 g-;功率裸芯片;老化中图分类号:TN306 文献标识码:A 文章编号:16725468(2007)060o3l0
2、4TheTestingandBurn-inScreeningTechnologyforPowerBareDieLIULinchun,2KONGXuedong.HUANGYun(1.FacultyofMaterialsandEnergyofGuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510075,China;2.CEPREI,Guangzhou510610,China)Abstract:Thetraditionalmethodsforpowertransistorcantapplytopowerbaredieduetovariousreasonssuchas
3、hightemperatureandhighoperatingcurrents.Thepaperdiscribesthetestingandburninscreeningtechnologyforpowerbarediesusingtemporarydielevelburnincarriers.Secondly,someappropriatemethodsforpowerbarediesareintroducedbasedontheactualconditions.Keywords:knowngooddie;powerbaredie;burn-in1 引言功率半导体器件是半导体器件的重要组成部
4、分,是功率电子技术的核心部分.在全球都倡导节能的情况下,功率电子技术的重要性日益提高,功率半导体器件的应用领域不断扩展.尤其是汽车和家电等领域对功率半导体器件的需求强劲.近年来,汽车和家电的电子系统朝着小型化,高性能,高可靠性的方向发展,由此带来对多芯片组件(MCM),混合集成电路(HIC)强烈和旺盛的需求.MCM 是近十几年发展起来的一种新的微电子组装与封装技术,由于采用高密度互连技术.其互连线较短,使得其信号传输延时明显地缩短:并且由于采用多层布线基板和裸芯片,使其组装密度较高,产品体积小,重量轻,同时电性能和可靠性也得到了提高,因此,MCM 技术在军用和民用领域收稿日期:2007.072
5、4 修回日期:20071015作者简介:刘林春(1980-),男 ,湖南衡阳人,广东工业大学材料与能源学院微电子与固体电子学专业在读硕士研究生,研究方向为电子元器件可靠性,KGD 技术.DtANztCHANPINKEKAoxtNGYUHUA“lNGSHIYAN电子产品可靠性与环境试验 20o7 年都具有十分稳固的优势地位.MCM 技术的迅猛发展需要使用大量的裸芯片(BareDie), 裸芯片是没有经过封装且一个个分立的芯片.它相对于封装的半导体器件有着明显的优势:1)极大程度地减少了器件本身和模块的体积;2)减少了芯片封装所带来的引线电阻.从而减少了总电阻;3)可以让设计人员进行电路设计时有更
6、大的自由度.然而.将多个裸芯片置入同一封装中会存在一些技术问题:增加器件的失效率;同时,组件中任何一个裸芯片的失效即意味着整个组件的失效.因此,MCM 的成品率在很大程度上决定于所使用裸芯片的可靠性,通常获得高可靠性裸芯片的方法是进行测试筛选工作.剔除掉不合格部分,从而获得已知良好芯片(KGD:KnownGoodDie). 采用 KGD 技术.可以对 MCM 和 HIC 中大量使用的裸芯片进行常温,高温,低温测试和高温老化筛选等试验,再经功能和参数测试来筛除有早期失效或有缺陷的芯片.保证最后挑选出来的芯片的质量与可靠性达到封装成品的质量与可靠性等级要求.国内对 KGD 的研究在 2001 年开
7、始起步.信息产业部电子五所是唯一一家从事裸芯片 KGD 技术研究的单位.目前,电子五所已完成了 KGD 临时封装载体的开发制作,建立了 KGD 质量与可靠性保证试验线,并能对低频信号,单面的电极常规裸芯片进行测试和老化筛选_1_.在功率裸芯片的测试与老化筛选上.国内尚没有比较成熟或者是系统的方法.五所从 2006 年开始进行功率裸芯片老化筛选技术的研究.研究的思路主要是根据现有的功率管筛选技术并结合功率裸芯片的实际情况,在原有的 KGD 技术平台上进行调整和改进,以达到对功率裸芯片进行测试和老化筛选的目的.2 采用临时封装夹具测试与筛选功率裸芯片采用裸芯片临时封装夹具系统能实现对裸芯片的测试筛
8、选3-41. 临时性夹具系统是对裸芯片进行暂时封装的载体,夹具为衬底提供一个机械支撑,既可以保护裸芯片免遭机械损伤,又为测试和老化的插座提供了一个机械界面.夹具系统要解决功率裸芯片的散热和电极连接问题,如图 1 所示.在夹具系统内装薄膜导电布线基板(衬底),四周有微小问距的金属接触区.其图形及间隔满足测试插座对其参数的要求,在薄膜的中心区域有一个金属凸弹力盖板图 l 夹具系统横截面示意图点区,其金属凸点的位置参数与相应裸芯片上的Pad 相对应,裸芯片倒叩在薄膜基板上,芯片上的压焊区与衬底上的金属凸点接触.芯片上方的盖板带有弹簧装置,通过弹力盖板对芯片形成一个可控制的压力来实现芯片电极与衬底的金
9、属凸点的适当接触.即实现良好的电连接.把安装有裸芯片的夹具系统装到测试插座内,即可以进行老化和全温度范围的电性能测试.3 功率裸芯片的测试与老化筛选方法功率管的可靠性筛选按照筛选的性质一般可以分成:检查筛选,环境应力筛选,寿命筛选和特性参数电测筛选四大类,每一类中又有具体的试验方法.例如:环境应力筛选中就包括振动加速度,离心加速度,温度循环和热冲击等;寿命筛选中包括高低温存储,电功率老化筛选等.使用特性参数电测筛选法来进行功率器件的筛选是最常采用的手段,其中应用比较广泛的有晶体管热阻测试筛选法问,正偏二次击穿电压测试筛选法51,热敏参数快速筛选法91 和大电流扫描法罔等.不同的筛选方法针对不同
10、的缺陷,各种方法的筛选成本和所能达到的可靠度也不一样.采用何种筛选方法可以通过待筛选功率管的具体情况和对可靠性的要求来确定.功率裸芯片是未经封装的功率器件,测试与筛选功率裸芯片可以参考功率管的筛选方法及其经验.但功率裸芯片与已封装的功率管又有所不同,具体表现在:a)功率裸芯片不一定具有功率管所具有的失效模式,所以一些筛选功率管的方法并不适合功率裸芯片.例如:功率裸芯片不存在与封装有关的缺DIANztCHANPINKEKAoxlNGYUHUANJINGSHIYAN第 6 期刘林春等:功率裸芯片的测试与老化筛选技术陷,因此,通过对热阻的测试来进行筛选的热阻测试筛选法是不能选用的.此外,在采用热敏参
11、数快速筛选法时,不能选择这个与热阻有很大关系的参数作为失效判据.b)测试与筛选功率裸芯片与筛选常规裸芯片不同.后者的工作电流很小,产生的热量不大,因此,对裸芯片本身和夹具系统都不会造成大的影响.而前者的工作电流可能达到数安,在如此大的电流下.芯片电极和夹具衬底金属凸点的接触电阻就会产生很大的热量;由于裸芯片本身不能提供散热的途径,夹具是一个半封闭的系统,塑料的导热能力不强.芯片产生的热量不易散发,夹具系统升温很快.短时间内加功率都可能导致裸芯片由于承受不了高温而损坏,也可能烧毁夹具系统.因此,测试与筛选功率裸芯片要受到大电流与高温度的制约.电功率老化法不能直接应用于测试与筛选功率裸芯片,而需要
12、采取控制芯片结温的附加措施.采用其它的筛选方法时,也需要考虑这个问题.根据采用临时封装法筛选功率裸芯片的实际情况和试验效果,通过综合分析,下面这些方法适合对功率裸芯片进行测试和老化筛选.a)热敏参数快速筛选法在晶体管中,热敏参数是失效的敏感参数.热敏参数异常的器件往往都会有潜在的缺陷而引起早期失效.在三极管的几个热敏参数中,HFE 有正温度系数特性,当管温升高时,HFE 将随温度升高而变大,势必造成工作点的漂移,从而影响电路的功能.晶体管中 E0 偏大的不正常情况多半是由于工艺原因而引起的不良表面状态造成的,同时k.对温度极其敏感.这样的管子在高温状态下其往往会以数量级的形式增加,使 PN 结
13、击穿特性变软甚至 PN 结烧毁.快速筛选方法就是通过短时间(一般为数秒) 内对晶体管施加超额定功率,使晶体管的结温迅速接近或达到最高结温,再快速检测热敏参数:,HFE 等加功率前后的变化量,并根据有关热敏参数失效判据来对晶体管进行快速筛选的方法.南京电子研究所对这种方法进行了研究,并用实验证明了这种方法可以代替数小时的满功率电老化.这是一种经济,有效的筛选手段.它可以有效地剔除热敏参数不良的器件.试验时间短,成本低,但这种方法的局限性也很明显,快速筛选是以热敏参数变化量的大小作为判据的,确定失效判据需要统计分析大量的实验数据;其次,快速筛选法DIANzICHANPINKEKAoxINGYUHU
14、ANJINGSHIYAN无法暴露如电迁移,氧化层缺陷,电化学腐蚀等与时间有关的失效机理.但这种方法在功率裸芯片的测试与筛选中可以作为一种辅助筛选方法.b)结温控制功率老化筛选法功率老化是对半导体器件进行筛选的最可靠,最常用的方法,它是在施加电应力的作用下使器件的缺陷提前暴露的加速性寿命筛选试验,通过电功率老化筛选能暴露出器件的大部分缺陷,筛选效果很好考虑到功率裸芯片的筛选时存在的高温度,大电流问题,如果直接采用常规电功率老化,有可能在加功率一定时间后结温会超过最高允许结温,从而损坏裸芯片和夹具,但是降低施加的电功率条件又可能无法达到老化的目的.通过结温监测和结温控制可以解决这个问题:1)通过红
15、外热像仪测量晶体管结温分布和最高结温旧,经计算处理后建立功率一结温的定量关系,参照最高结温 175,通过降低老化环境温度或降低工作电流(功率),在控制最高结温的情况下实现对裸芯片的老化,拟定出合适的直流功耗的筛选条件.既能防止老化应力不足,又避免过应力失效;2)加脉冲功率,在短时间内加热,然后调整冷却或散热条件,待结温下降到一定程度时再继续施加电功率,以达到持续老化的目的.结温的值可以通过测量敏感参数(如)的值来确定.C)高温高压反偏应力筛选法半导体器件在制造过程中易受到某些碱金属离子的污染.这些碱金属离子使器件的电参数在使用过程中产生严重的漂移.在高温反偏应力条件下,器件同时被加上高温应力和
16、反偏应力,高温应力的作用是激发界面上的 Na,以提高 Na+的运动速度;反偏应力的作用是强迫已加速的 Na+沿反偏电场方向做定向运动.例如:在 NPN 型器件中,促使Na 往基区的表面方向运动,并被堆积在基区表面.由于静电感应作用.这些堆积下来的 Na+将把基区的电子吸引到基区表面.随着老练时间的增加.Na 堆积越来越多 ,被吸引的电子也越来越多.当达到一定程度时就会使基区反型.形成漏电通道.使器件的反向漏电流大大增加,击穿电压大大降低.通过检测老练后器件的反向漏电流和击穿电压,就能鉴别和剔除表面有缺陷的器件】.在高温反偏老练中,裸芯片被同时加上高温环境应力和反向偏压电应力,其内部无电流或只有
17、微小的电流通过,消耗的电功率很少,产生的热量也相应较少,这对散热条件要求苛刻的功率裸芯片来电子产品可靠性与环境试验 2o07 年说是相当有利的.这种老练方法对剔除具有表面效应缺陷的早期失效裸芯片特别有效这是一种加速测试,是在同样的失效机理下减少器件的失效时间的过程.采用高温高压反偏应力筛选方法可以减少老化时间,从而降低成本.d)温度冲击和高温存储 f7温度冲击主要是通过使电路在剧烈的高低温交变环境条件下.产生热胀冷缩的效应,以考查电路中各种不同材料之间的热匹配能力.可以筛选出具有微裂纹,氧化层台阶的金属化缺陷和衬底表面等缺陷的器件.高温存储方法是一种加速性质的存储寿命筛选试验,只对器件施加温度
18、应力,它加速了失效过程.对表面玷污,引线不良,氧化层缺陷和表面漏电等缺陷有较好的剔除作用,而对性能良好的电路则有稳定性能的作用.这两种方法在半导体器件的测试与筛选中经常使用.实际效果很好.对实验条件要求也不是很高,因此,可以用来筛选功率裸芯片.4 结束语KGD 技术本身还处在发展中,分立裸芯片的测试,老化技术仍存在一些问题,KGD 夹具和装/卸载技术还不能适应各种裸芯片和各种测试,试验要求.此外.如功率器件的老化方法,功率器件的接触电阻和温度控制问题还需要进一步的研究.功率裸芯片的测试与老化筛选技术主要是依据现有的技术条件.在常规裸芯片测试与筛选技术的基础上进行研究.相应的测试与筛选方法则参考
19、已经成熟的功率器件的方法.并根据功率裸芯片本身的特点对其进行适当的调整.本文介绍了功率裸芯片测试与筛选的方法,对这些方法的实际效果,以及如何应用到功率裸芯片的测试和筛选上.还需要进一步的研究.参考文献:1】黄云 ,恩云飞,师谦,等.KGD 质量和可靠性保障技术【J】.半导体技术,2005,30(5):4o-43.2CHARLESHK.TradeoffsinMuhichipModuleYieldandCostwithKnownGoodDieProbabilityandRepairJ1.MicroelectronicsReliability,2001,41(9):715733.3】FRISCHA,
20、AIGNERM,ALMYT.SupplyingKnownGoodDieforMCMApplicationsUsingLowCostEmbeddedTestingJ.InternationalTestConference,1995,(2):1418.4ARNOLDR,SANKARANMM.TestMeodsUsedtoProduceHighlyReliableKGDC/NewYork:IEEE,1998:374383.5】陈克明 .用测量正偏二次击穿参数筛选大功率器件J.江苏电器,2001,(1):18 22.6冯士维,吕长志 ,冯越,等.半导体器件封装热阻测试方法及其研究J.电子器件,1997
21、,(3):6771.7GJB548A 一 1996,微电子器件试验方法与程序S】.8GJB128A-1997,半导体分立器件试验方法S.9郑石平.低频大功率三极管快速筛选技术的应用J.电子产品可靠性与环境试验,2000,(4):2125.1O思云飞,黄云 .KGD 技术发展与挑战J. 电子质量,2003,(9):2-4.1l】罗雯,魏建中,阳辉,等.电子元器件可靠性试验工程【M】,北京:电子工业出版社,2005.12】朱阳军 ,苗庆海,张兴华,等.晶体管红外热像图的热谱分析方法【J】.半导体,2005(7):13641367.嚣.曩铲祭雾祭.寥铲铲簪 L 铲.景誊铲皇尊尊鼍尊零紫铲誉寤 .簿铲察:l:l 厂厂,厂厂,/嘲自目陵厂厂一,田 l 田团 l信息与动态常见的非法定计量单位与法定计量单位的换算关系(十二)DigNzlCHANPINKEKAOXINGYUHUANJ|NGSHIYAN
