摘要

      绿色指令推动半导体厂家在其微电子产品封装中摒弃氧化锑、阻燃剂及卤代化合物之类的环境有害物质，然而人们可能担心，绿色封装中的新化学材料有可能影响半导体器件的性能。为此，我们通过热压应力测试对采用绿色和非绿色环氧模塑料 (EMC) 封装的功率晶体管的性能进行了评测。实验表明，绿色器件的电气和物理性能的确优于非绿色器件。我们的研究结果表明，较之于采用绿色 EMC的器件，采用非绿色EMC封装器件的栅极－源极漏电流 (IGSS) 更高，而漏极－源极导通电阻 (RDS[on]) 也更大。非绿色器件之所以电气性能不稳定，是因为其中的阻燃材料会释放较多的溴化物离子。在潮湿的环境下，这种溴化物离子会形成电解液，导致腐蚀。我们发现非绿色器件中的铜焊球极易受电解液腐蚀，腐蚀先从焊球周围开始，然后逐渐扩展到焊球基底。这些腐蚀性离子使铜焊球下的铝焊盘加速溶解，从而在金属间化合物层和焊盘之间形成隔离间隙，使焊盘脱离金属间化合物层。而且，这个间隙在热压应力作用下逐渐变大，导致RDS[on]　阻值随时间加大。相反地，绿色器件不易因腐蚀造成焊点损坏。因此，温度绿色器件即使在高湿度、高热压情况下，其RDS[on]  也更稳定，而漏电流IGSS更小。

引言

      欧盟部长理事会已经执行RoHS指令 (在电子电气设备中限制使用某些有毒有害物质指令) 以及WEEE指令 (报废电气电子设备指令)。RoHS指令于2006年7月1日生效，禁止在西欧销售的电子产品中使用6种有害物质 (见表1)；WEEE指令则规定所有在欧洲销售电子产品的厂家需为其2005年8月13日之后投放市场的产品建立报废产品的收集和回收体系。

表1  RoHS 有害物质限制标准

      “绿色计划”则是一个面向客户的环保计划，旨在促进供应商在产品中使用环保材料。这项计划与无铅倡议一样，属于自愿性质，目前还不是法定强制性的。支持“绿色计划”的客户正在推动其供应商提供绿色替代产品，而许多电子行业的供应商正在规划其产品发展蓝图，要求其产品中只使用绿色材料，作为对全球环保承诺的一种示范措施。“绿色计划”是对RoHS 指令精神的强化补充，要求全面消除对环境有害的化合物(见表2)。

表2  完全的绿色标准包括表1规定的所有限制要求，并增加对表2所列物质的限制

      飞兆半导体一直致力于减少产品中的非环保物质以保护环境，其绿色封装标准是无铅、无卤代化合物和氧化锑。目前飞兆半导体生产的所有产品均符合RoHS标准，并正在向实现“全绿色”迈进。表3所示为功率MOSFET产品中采用的绿色EMC成分。

表3  非绿色与绿色EMC的成分比较

实验方法学

      本实验采用一台波形记录器对众多使用绿色和非绿色EMC封装的铜键合线MOSFET器件进行电气测试，然后对这些器件施加热压(ACLV)应力。施加ACLV是为了评测这些改变材料的新封装。该实验采用了较大强度的加速试验法，即被测器件处于冷凝环境，压力205kPa、湿度100%、温度121℃。这是为了加快湿气向封装内渗透，以便暴露器件的缺陷，如脱层和金属腐蚀。应力施加时间从通常的96小时延长到192、288、384、480、576、672、768及864小时。这是为了研究MOSFET器件在长时间ACLV应力下的电气性能及物理性质的变化。在每个应力施加时间点，都从气室中取出一些器件，烘干一晚后，重新测试其电气特性。接下来，便使用磨削抛光机将器件横向剖开，或用酸蚀法打开。然后，使用可变应力场发射式扫描电子显微镜检查器件裸片、键合线及金属间微结构。此外，还使用色散X射线仪(EDX)进行成分分析。

实验结果与讨论

      可评测和比较非绿色和绿色EMC材料对功率MOSFET断电时特性(IGSS、IDSS、BVDSS)的影响。

      模塑化合物中的杂质离子(包括阴离子和阳离子)会严重削弱MOSFET器件的电气指标。这种削弱受湿度和温度影响，在带电载流子流动性增加时进一步加剧。在高温时，非绿色EMC的溴化阻燃材料中会以溴甲烷形式释放出溴离子。这些溴离子会使MOSFET源极和栅极间的漏电流增大，而这已在非绿色器件上得到证实，非绿色器件在承受ACLV应力期间表现出比绿色器件更高的IGSS电流漂移，如图1所示。

图1  绿色和非绿色器件IGSS(栅极-源极漏电流)漂移随施压时长的变化

图2  不同ACLV时长下绿色和非绿色器件的IDSS(零压栅极-漏极电流)

      如果EMC中存在钠和钾离子，MOSFET性能会进一步恶化，有可能在氧化物中形成逆温层，进而造成漏电。不过，杂质离子对IDSS(见图2)和BVDSS(见图3)的影响无关紧要。

图3  不同ACLV时长下绿色和非绿色器件的BVDSS(漏极-源极击穿电压)