沟槽栅FS-IGBT HTRB失效的调查分析

梁赛嫦 史波 江伟 敖利波

摘  要：IGBT作为功率转换、功率控制的新型器件，已广泛应用于变频空调、电磁炉、电饭煲等产品。鉴于成本压力，在通流能力保持不变的前提下，IGBT将变得更小更薄。工艺上不论是给晶圆代工厂还是封装代工厂，都是极大地挑战。本文主要通过对沟槽栅FS-IGBT芯片封装后，HTRB上机时出现漏电增长的问题进行调查分析，澄清在芯片设计不变的前提下，找出HTRB失效的解决方法。

关键词：沟槽栅FS-IGBT;HTRB;漏电检测

中图分类号：TN322.8      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0025-05

0  引  言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），又称绝缘栅双极型晶体管，可以简单地看成为一个电路开关，导通电压达几百伏，甚至上千伏，电流几十到几百安培，为弱电控制强电的功率器件，而沟槽栅FS-IGBT（Field Stop，场截止）具有通态损耗低，通流能力强等特点，广泛应用于消费电子、白色家电、汽车电子等消费领域。

因IGBT工作在高压大电流高温的严苛环境下，且所代表的产品更新换代周期较长，所以IGBT流入市场前必须经过严格的可靠性验证。

HTRB（High Temperature Reverse Bias，高温反偏试验）为验证IGBT芯片性能最为关键的可靠性试验，具体实验方法是在IGBT结温条件下，施加最大反偏电压的80%或100%，在电和热应力的作用下，监控集电极和发射极漏电情况。

沟槽栅FS-IGBT晶圆厚度较薄，一般在70-100μm左右，且大小为8寸，不论是晶圆流片，还是封装加工，在工艺实现上都是挑战。

本文主要对沟槽栅FS-IGBT做HTRB可靠性试验时出现漏电急剧增长的问题展开调查分析，先从封装代工环节切入，逐一排查，再从晶圆流片工艺角度进行分析，以找到影响HTRB漏电问题的关键因素，从而推动产品研发进度。

图1为产品焊线图，以此原型进行封装分析。

图2HTRB漏电曲线图横坐标单位为时间小时（h），纵坐标单位为电流微安（μA）。从图中曲线可看出，漏电在极短时间内急剧上涨后跌为零，表明产品已被击穿，产品下机，FT失效。抽取样品进行开封分析，发现失效点带有规律，均在焊线下方芯片右下角附近。如图3所示。

1  焊线应力对可靠性影响分析

根据以上基础数据，初步推断失效可能跟焊线应力对芯片造成的损伤有关，安排实验验证，看问题是否重现。

实验中分别从减小线径，减少焊线数量，改变线材及旋转芯片四个方面与原始条件作对比，减少线径、焊线数量的目的为降低应力对芯片的影响;铝线变更为金线，其焊线工艺基本不一样，可判断是否为焊线工艺的影响;旋转芯片，主要看如果产品失效，失效点是仍在芯片右下角，还是会随着焊点而发生转移，或是由于其它工艺原因导致的失效。如表1所示。

由漏电曲线图4可看出，不管哪种实验，HTRB漏电仍然是短时间内骤增后降为零，器件烧坏。抽取樣品开封分析，如图5所示，失效点位置存在飘移，不再在焊线区域右下方，而是随机分布，证明本实验并没有根本解决HTRB漏电骤增问题，从而得出焊线过程导致的HTRB失效为小概率事件，关键因素需进一步澄清。

2  上芯过程对可靠性影响分析

对问题进行拓展，是否在焊线前就已存在芯片异常，因FS型IGBT芯片较薄，上芯过程如果按一般芯片的方式进行作业，容易导致芯片发生裂片。对于超薄芯片，采用特殊顶针座，顶针在4根以上，保证受力均匀，生产过程保证空洞、BLT、结合材覆盖率、翘片数据等均在规格范围内，产品全检后再进行焊线、塑封等制程。之后，安排可靠性试验，结果如图6所示，漏电同样骤增，与原始结果基本一致，问题没有解决。

为验证产品失效是否由于上芯过程导致芯片可能存在的暗裂（因暗裂不容易被检出），故而采取恶化实验来辅助，对同批次产品进行TCT 168cylces（温度循环实验），TCT前后FT均pass，表示产品无暗裂风险。

以上实验表明上芯过程没有出现异常，但HTRB同样出现漏电剧增现象，根本原因需要进一步排查。

3  封装材料对可靠性影响分析

因为第一次开封的产品失效点带有规律性，而第二次及后续实验的开封，失效点又变得没有规律，可能原因为样品量不足导致的误判。排除封装上芯及焊线工艺因素，从结合材和塑封料进行分析，封装过程导致失效的原因主要有以下几点：

（1）上芯过程，结合材不均匀，接触面存在空洞;

（2）塑封过程，塑封料填充不满，导致在高温条件下，空洞膨胀，造成芯片损伤，同时两端接高压，在芯片最薄弱处发生击穿失效;

（3）塑封料与芯片不匹配，导致应力得不到释放;

（4）由于环境或人为因素（湿气、沾污等），芯片或框架处出现塑封分层。

为证实以上所列怀疑点，在上芯和焊线条件保持不变的前提下，安排5组实验进行对比验证，如表2所示。

实验一为原始封装条件，实验二和实验三塑封料分别从A更换为塑封料B和C，实验四更换为结合材B，实验五使用金属封装，不需进行塑封制程，从根本上判断漏电是否跟塑封料有关。

对以上实验先进行首件检验，确保制程没有异常。进行C-SAM及X-ray扫描，结果如图7和图8所示。可以看出，封装过程并没有出现异常，分层及空洞比例均在规格范围内。

从图9的实验四看，结合材对漏电曲线影响不明显，主要表现为漏电太大，已到设备保护界限，设备反复降压后电流再次极速上涨，实验无法继续，下机处理，与原始条件对应的结果基本一致，器件烧伤失效。而实验二和实验三，塑封材料对HTRB漏电结果影响较大，短时间内的烧伤问题得到解决，但漏电趋势随着时间推移而不断增大，可看出塑封料对HTRB漏电改善明显，但仍未能根本解决问题。金属封装整个封装过程与塑封工艺不一致，结果同样出现漏电增大现象，此条件已基本可排除塑封料导致的HTRB失效。

综合以上分析，在封装制程方面已基本调查清楚，但其非导致HTRB漏电失效的根本原因，需同时从晶圆流片角度（包括正面及背面工艺）进行分析。

4  晶圆厚度对可靠性影响分析

场终止（FS）结构，需要对硅片背面进行减薄，而IGBT减薄工艺为晶圆代工厂比较核心的关键技术。晶圆表面设计结构保持不变，正面工艺制程完成后，背面不进行减薄，以验证是否由晶圆背面工艺导致的HTRB失效。此晶圆流片出来后按最开始的封装条件完成封装，曲线如图10所示。

图10  晶圆不减薄封装后的HTRB漏电曲线图

超薄IGBT虽然给晶圆厂或封装厂带来工艺难题，但从图10结果可看出，晶圆厚度或晶圆减薄工艺并不是使HTRB失效的主要原因。

5  晶圆正面工艺对可靠性影响分析

排除前三种原因，对正面结构进行分析。沟槽栅FS-IGBT器件形貌结构分元胞区和终端区两种，元胞结构主要由栅极、层间绝缘层、接触孔、金属集电极和钝化层等组成，终端结构由复合场限环、复合场板、层间绝缘层和钝化层构成。形貌结构对IGBT的性能和可靠性有着至关重要的影响。

对不良品的接触孔进行FIB（Focus Ion Bean）分析，发现部分开孔没有打开，对CT（Contact） layer进行FEM（Focus Energy Matrix，焦距能量矩阵）确认，由于CT处台阶高度及所处位置有差异，导致CT的曝光结果有差异。因此，若不进行CT改版，通过减小poly的厚度，降低台阶高度，同时确保沟槽栅填充完整，BPSG增加B/P浓度，改善形貌平滑度，增大注入剂量及CT曝光量，令通孔全部打开，如图11所示。

以下为改善后的HTRB漏电曲线图，如图12所示。可以看出，HTRB實验已进行300小时，漏电一直保持6μA左右，没有出现之前的短时间内漏电骤增，产品失效等现象。产品下机、FT pass、HTRB问题得到根本性解决。

6  结  论

本文通过对HTRB漏电骤增问题展开调查分析，分别从封装代工及晶圆流片工艺两个角度进行分析，得出两个关键点：封装塑封料对HTRB漏电曲线改善明显，但随着时间推移，器件同样会发生失效，不能根本解决漏电增长问题;晶圆工艺上的缺陷与IGBT的HTRB结果有强相关性，只有找出失效位置，排查晶圆流片制造过程出现的异常，保证晶圆流片出来的形貌及尺寸满足设计仿真结果，才能确保芯片性能。

参考文献：

[1] 董少华，刘钺杨，何延强，等.HTRB试验方法及现象研究 [J].智能电网，2016，4（12）：1200-1203.

[2] 张金平，赵倩，高巍，等.IGBT新技术及发展趋势 [J].大功率变流技术，2017（5）：21-28+41.

[3] 张满红，邹其峰.沟槽式FS-IGBT各部分对其性能的影响研究 [J].现代电子技术，2018，41（14）：5-9.

[4] 黄建伟，杨鑫著，刘根，等.沟槽栅IGBT关键技术研究 [J].大功率变流技术，2015（2）：57-61.

[5] 张景超，赵善麒，刘利峰，等.绝缘栅双极晶体管的设计要点 [J].电力电子技术，2010，44（1）：1-3+16.

作者简介：梁赛嫦（1989.09-），女，汉族，广东江门人，功率半导体产品开发工程师，学士，研究方向：封装工艺研究、产品导入、封装制程失效分析。