金屬封裝功率器件管殼鍍金層腐蝕機理研究

作者： 李壽全 （北京新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司）

摘要：

金屬封裝形式的氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（ VDMOS ）， 在經(jīng)歷篩選試驗后，管殼表面的金屬層出現(xiàn)了腐蝕形貌， 通過顯微鏡觀察、 掃描電鏡、 EDS 能譜分析和切片鏡檢等方法，對腐蝕樣品進行了分析， 確定了失效原因，并詳細地闡述了腐蝕發(fā)生的機理。

0 引言

垂直對擴散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（ VDMOS ） 因其具有開關(guān)速度快、 高頻特性好、 高輸入阻抗、 低驅(qū)動電流和驅(qū)動電路簡單等特性，作為核心電子元器件，被廣泛地應(yīng)用于汽車電子、家電、 通信和航空航天等領(lǐng)域[1-4] 。 針對VDMOS器件的失效分析，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量的研究工作[5-9] ， 但該類研究主要都是從芯片工藝、封裝工藝、 結(jié)構(gòu)缺陷和試驗應(yīng)力等方面進行分析，對于在目檢環(huán)節(jié)發(fā)生失效， 即管殼表面存在腐蝕形貌的相關(guān)分析很少，而該類失效發(fā)生后， 一般是大批量的甚至是批次性的問題，因此對其失效機理進行研究， 找出導(dǎo)致其發(fā)生失效的原因，預(yù)防其發(fā)生失效具有重要的意義。 本文通過對篩選試驗后管殼表面發(fā)生腐蝕的 VDMOS 器件進行失效分析， 確定了其失效原因，并詳細地闡述了腐蝕發(fā)生的相關(guān)機理。

1 樣品與試驗

1.1 樣品

用于分析的 VDMOS 器件為金屬管殼封裝，封裝用的管殼形式為 TO-254AA 型， 管殼的具體示意圖如圖 1 所示。

1.2 分析試驗

針對篩選試驗后管殼表面發(fā)生腐蝕的器件進行了外觀目檢、 SEM 電鏡觀察、 EDS 能譜分析、 擦除驗證、 腐蝕點切片觀察和器件用同批次管殼追溯等相關(guān)分析，具體的分析方法如下所述。

a ）外觀目檢

選取 1 只失效器件利用光學(xué)顯微鏡（ OM ） 進行外部檢驗， 觀察器件的外觀形貌。

b ） SEM 電鏡觀察

選取腐蝕形貌樣品在 SEM 下進行觀察， 對腐蝕形貌進一步地觀察分析。

c ） EDS 能譜分析

通過 EDS 能譜分析對腐蝕區(qū)域進行化學(xué)元素成分的測定。

d ）擦除驗證

對腐蝕形貌利用酒精進行擦除，確定腐蝕是否只存在于表面， 進一步地驗證腐蝕產(chǎn)生的機理。

e ）腐蝕點切片觀察

通過對腐蝕點進行縱向切片制樣，縱向查看整個管殼的鍍層結(jié)構(gòu)。

f ）管殼追溯排查

發(fā)生失效的器件采用 TO-254AA 管殼封裝，為了確定初始管殼的鍍金層質(zhì)量，對器件用的同批次管殼進行排查， 觀察分析管殼金層質(zhì)量是否存在缺陷。

通過上述相關(guān)的分析試驗逐步地確認失效原因、剖析失效機理， 具體的流程圖如圖 2 所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 外部目檢

選取 3 只器件 （ 1 #～3 # ） 進行 OM 拍照，通過形貌觀察， 腐蝕主要發(fā)生在管殼外側(cè)面，典型的形貌圖如圖 3-4 所示， 由圖 3-4 可知， 管殼側(cè)面存在黑色點狀物和白色斑狀物。

2.2 SEM

選取上述 1 # 、 2 # 器件， 針對其異常部位進行了 SEM 觀察， 典型的形貌如圖 5 所示。 其中，圖 5a- 圖 5b 中包含的兩張照片均為同一個腐蝕點的照片，在 SEM 下采用不同的成像模式， 前一個均為二次電子成像，主要用來觀察標本表面的晶相圖， 后一個均為背向散射電子成像， 背向散射電子對標本的構(gòu)成比較敏感，該圖像適合觀察成分差異， 由圖可知，發(fā)白區(qū)域為鍍金層， 發(fā)黑部位的成分需進一步地分析確認。

2.3 EDS 能譜分析

針對 SEM 照片不同顏色的區(qū)域進行了 EDS 能譜分析， 結(jié)果如圖 6 所示， SEM 照片中發(fā)黑部位所含的元素為 Fe 、 Ni 、 S 、 Cl 、 O ， 即鍍金層已經(jīng)被腐蝕， 主要材料為管殼邊框基材鐵鎳合金；發(fā)白部位所含的元素主要為 Au 、 Ni 、 O ， 主要占比為Au 元素；介于兩種顏色之間的部位所含的元素為Au 、 Fe 、 Ni 、 S 、 Cl 、 O 。 由此可知， 白斑部位為管殼鍍金層被腐蝕區(qū)域，該區(qū)域已出現(xiàn)下層管殼基材元素， 即 Fe 、 Ni 元素。

2.4 擦除驗證

采用酒精棉簽擦除方式對 3 # 器件進行了驗證。擦除前， 3 # 器件的白斑肉眼可見， 利用酒精棉簽擦除后，肉眼下腐蝕點消失， 在光學(xué)顯微鏡下對其進行觀察，結(jié)果如圖 7 所示， 從圖 7 中可以看出在光學(xué)顯微鏡下也未見異常。

對擦除后的 3 # 器件進行了 SEM 觀察， 放大倍數(shù)為 46 倍的 SEM 形貌如圖 8 所示。 由圖 8 可知，管殼表面依然存在異常區(qū)域， 只是在該放大倍數(shù)下異常現(xiàn)象不顯著。

對上述存在異常的點在約 500 倍的放大倍數(shù)下進行觀察，具體的形貌如圖 9 所示。 由圖 9 可知，存在明顯的異常，依然存在腐蝕形貌， 同樣露出下層管殼基材材料，可見光學(xué)顯微鏡下很難觀察到這些細小的島狀分布的腐蝕顆粒。

綜合上述分析可知，器件表面的異常點為管殼鍍金層被腐蝕后所形成的， 并且已經(jīng)露出了管殼基材材料。

2.5 腐蝕點切片鏡檢

選取了 2 # 對腐蝕點進行了切片鏡檢，查看腐蝕點縱向結(jié)構(gòu)， 具體的結(jié)果如圖 10 所示。 由圖 10可知，腐蝕點部位的金層已經(jīng)消失， 露出了底層材料，與之前 SEM 形貌結(jié)果一致。

2.6 管殼排查

隨機抽取了 3 只同批次庫存管殼，對管殼外邊框位置進行 SEM 觀察， 其中， 1 只管殼邊框位置發(fā)現(xiàn)鍍金層質(zhì)量不佳，即存在大量的片狀的微孔，具體的形貌圖如圖11 所示。 由圖 11 可知， 該形貌與腐蝕點用酒精棉簽擦除后的形貌基本一致， 腐蝕點擦除后的 SEM 形貌如圖 9 所示， 由此可知， 初始管殼就存在鍍金層質(zhì)量不佳的情況。

2.7 機理分析

鍍金層本身是不會發(fā)生腐蝕的，鍍金件的腐蝕其實是因鍍金層受到成本和機械性能限制， 厚度低于 2.5 μm ， 存在孔隙 （上述電鏡分析證實了這一現(xiàn)象），底層或中間層在潮濕等情況下發(fā)生電化學(xué)腐蝕， 形成腐蝕物擴散到鍍金層表面而造成的。

薄的鍍金樣品通常存在微孔，即使在相當(dāng)溫和的環(huán)境下， 微孔中也會產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物并擴散至周圍的金表面。

針對金層腐蝕機理，林雪燕等有如下論述[10] ：當(dāng)鍍金表面的微孔區(qū)域吸附有水膜時， 空氣中的腐蝕性氣體，如 Cl 2 、 SO 2 、 H 2 S 等將溶解在水膜中而形成電解液，如圖 12a 所示； 電解液由微孔的毛細孔作用進入微孔底部并和具有較低電極電位的 Ni發(fā)生反應(yīng)， 這樣在微孔中就形成一個原電池腐蝕過程而產(chǎn)生腐蝕物 （主要為氯化物、硫酸物等）。 腐蝕反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生直至電解液已經(jīng)飽和，由于腐蝕產(chǎn)物的體積遠大于金屬失去的體積， 所以腐蝕物就沿著微孔蔓延至鍍金層表面并堆積在微孔區(qū)域附近，如圖 12b 所示； 隨著腐蝕時間的繼續(xù)，當(dāng)另一個水分子沉積在同一位置， 它將滲透至微孔中使原電池腐蝕重新開始， 更重要的是它將作為一次“潮水”推動腐蝕物遠離微孔區(qū)域而停留在水分子的邊緣，如圖 12c 所示； 然后電解液在空氣中蒸發(fā)， 而使腐蝕物以聚集的島狀晶體停留在原先被推至的位置，形成一個遠離核的腐蝕圈，如圖 12d 所示。

當(dāng)一個更小的水滴又停留在相同的位置時，將再一次作為潮水推動腐蝕物離開微孔位置。 當(dāng)它蒸發(fā)后， 由于第一次的腐蝕物的停留位置的阻擋作用，此次腐蝕物停留位置更靠近腐蝕核， 因此將形成內(nèi)腐蝕圈， 當(dāng)然， 在外腐蝕圈和內(nèi)腐蝕圈之間的區(qū)域也會分布著腐蝕產(chǎn)物的沉淀物。

3 結(jié)束語

鍍金層表面質(zhì)量不佳，在長期的試驗應(yīng)力、 大氣環(huán)境暴露下發(fā)生了腐蝕，針對該類情況， 需從以下 3 個方面考慮如何改善該問題： 1 ） 改進電鍍工藝， 保證金層鍍金質(zhì)量； 2 ） 管殼檢驗環(huán)節(jié)抽樣進行管殼外表面的 SEM 觀察， 初步判斷批次管殼鍍金層質(zhì)量； 3 ） 加強器件的防護， 保證管殼處于良好的狀態(tài)。