快恢复二极管高温铜迁移失效产生原理及解决方

  1. 二极管高温铜迁移失效产生原理
  快恢复二极管由两部分组成，即二极管硅晶圆和杜美丝铜引线部分，晶圆与杜美丝采取高温焊接后进行树脂封装成型，硅晶圆主要物质成分SiO₂，铜在iO₂中扩散速度很快，而且铜是硅的深能级受主杂质。扩散到Si中并在Si的禁带中形成几个深能级受主能级，这些能级会充当产生复合中心或陷阱而改变非平衡少子的浓度与寿命，如果二极管在制造过程中工艺设计不当，硅晶圆与杜美丝之间实际没有有效覆盖阻挡层，在高温焊接过程中就可能会产生铜迁移，设计必须保证硅晶圆与铜引线之间形成有效阻隔层，隔绝铜原子迁移与Si发生反应，铜迁移产生原理及发生反应过程如图1所示，Si可以和很多金属形成化合物，二极管晶圆焊接实际使用是目前最通用的杜美丝(铜引线)，当铜因为受到高温焊接或是高温环境时易产生铜原子迁移，如果二极管工艺结构设计没有对铜与硅晶圆之间采取有效的阻隔，在高温环境下铜原子会产生迁移，并从3位置沟道侵入到Si晶圆表面，并与Si发生反应生成硅酮化合物(硅化铜)Cu₃Si、Cu₄Si。硅化铜性能差电阻率高、会导致二极管漏电流增大(原极与漏极浅结处产生漏电流)，晶元与杜美丝结合力大幅度下降。

 
  2. 影响二极管高温铜迁移产生因素分析
  2.1温度
  铜产生铜原子并产生迁移温度大约是从350°开始，温度越高铜原子运动越活跃，迁移速率越快，受湿度影响很大，该快恢复二极管晶圆实际焊接温度370°，存在铜原子迁移条件。焊接温度是很重要影响的因素，生产时一定注意温度的控制。
 
  2.2引线焊接材质
  二极管晶圆焊接使用的引线是铜材质，铜材质相对铝材质导热性能好、电阻率低、热膨胀系数小、熔点高。但是使用铜材质引线就避免不了铜原子产生及迁移。
 
  2.3 硅晶圆表面保护阻隔层覆盖不到位
  二圾管晶圆表面未形成有效的保护阻隔层，设计应保证晶圆表面特别是边缘位置必须有效覆盖防止出现晶圆边绿位置因为封沟设计、或是制造过程出现问题导致硅晶圆实际没有有效的覆盖，为铜原子迁移与硅发生反应提供充足条件。
 
  3. 二极管高温铜迁移失效解决方案
  二极管过电失效经过分析是二极管晶圆焊接产生高温铜迁移失效、防止铜迁移产生有效手段通过在硅与铜直接建立起有效的阻隔层，一般方法是铜引线部分使用镍进行镀层，防止铜原子迁移，二极管晶圆表面形成有效保护层，可以有效隔离迁移过来铜原子，避免产生还原化学反应。铜硅之间增加活性差的难溶金属SIN、Ta、Ti等。

  经过大量实验验证最终确定铜迁移整改方案，具体整改方案如下。
 
  3.1改善品圆的设计结构
  有效封住晶圆上的裸漏部分沟道，延长覆盖长度，即使有铜迁移，也不会流到硅表面，从而社绝生成硅化铜。在晶片表面金属层增加覆盖面到45μm从而加强二极管抗压能力。整改方案如图2所示。  
  3.2增加铜引线阻隔防护层
  二极管的引脚增加Nl层，使在焊接过程中不会产生铜原子迁移。并起到隔热作用。
 
  3.3 PCB跨距整改结果
  安森美35030124二极管MUR180E出现炸板异常问题，经过排查分析发现二极管位置引脚跨距存在差异，会增加器件受力可能，通过排查分忻评估后将D18、D19、D20封装焊盘间距进行优化，将间距由10.16mm更改为1 3.5mm。
 
  4. 结论
  经过将大量过程失效及全检失效二极管分析，确定全检制品也有存在晶元有裂纹异常。最终确定二极管失效是厂家生产过程晶元与杜美丝焊接工序存在问题，引脚(铜质)上的铜在370度的焊接温度下(在代工厂压接过程中)，铜原子迁移到晶圆表面，并生成硅化铜，从而导致器件漏电流增大，导致失效的原因是“铜迁移”，由于产生铜迁移导致晶元与杜美丝结合力大幅度下降，生产过程出现晶元受外在机械应力产生裂纹，后在制造使用过程再次自插剪脚受力导致裂纹程度加重，在整机通电后因器件电性能衰降反向耐压不足导致二极管击穿失效，强电直接引入弱电导致硬块与其他器件过电击穿失效炸裂。针对二极管铜迁移采取对晶圆表面增加延长覆盖面积至45 μm及引线镀镍有效解决铜原子迁移与硅发生还原反应，解决二极管高温铜迁移失效不良。



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