铝线键合工艺对 FS-IGBT 器件耐压及漏电特性的影响

江伟，敖利波，梁赛嫦，刘勇强

（珠海格力电器股份有限公司通信技术研究院）

摘要：

随着芯片制造技术的不断发展，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）芯片厚度不断减薄，同时为了增加过电流能力，栅极沟槽密度越来越大。芯片结构的变化对封装行业提出了新的挑战，尤其是铝线键合工艺。本文主要介绍了针对沟槽型场截止结构的绝缘栅双极型晶体管（Trench-FS IGBT）的键合技术。通过多次验证实验，深入研究铝线键合工艺对器件耐压及漏电特性的影响，并得出结论：器件的可靠性可以通过键合第一焊点分布、焊线参数及焊线线径大小三个因素来改善。

0 引 言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），又称绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT（双极型三极管）和 MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，属于高压大电流高频 MOS 控制型双极晶体管。IGBT因其与生俱来的节能性，在中国倡导节能减排和大力发展新能源的当下备受推崇。

按芯片技术划分，IGBT 有 PT（Punch Through，贯穿型）、NPT（Non Punch-Through，非贯穿型）和 FS（Field Stop，场截止型）。

按栅 结 构 划 分，IGBT 有平 面 栅（Planar） 和沟 槽 栅（Trench）两类。平面栅承受短路能力较高，栅极电容较小（约为沟槽栅器件的三分之一）；沟槽栅单元面积较小，电流密度较大，通态损耗降低约 30%，击穿电压更高。

目前国内市场上使用较多的 IGBT 芯片为 PT+Planar，而本文提及的 IGBT 芯片结构为 FS+Trench，结构图如图 1所示。

功率半导体的发展趋势为小体积、高电流密度、低成本。因此，FS+Trench 结构的 IGBT 是未来的发展方向，但是FS+Trench 结构生产出的薄晶圆非常柔韧，且随着晶圆变薄，更容易出现晶圆的翘曲和变形，导致生产的芯片机械强度差，给封装带来更大的挑战，特别是焊线工艺。

本文试验方法结合 BV 曲线及 HTRB 漏电曲线进行试验，针对铝线键合工艺中的主要条件：第一焊点、键合参数、线径大小，对器件耐压及漏电的影响进行研究。

1 铝线第一焊点的方向对器件的影响

对于平面结构的芯片而言，其栅极设计在芯片的表面，芯片较厚，铝线键合时焊点的方向对其影响不大[1，2]；而沟槽结构的芯片，其栅极为长条状沟槽贯穿芯片，其沟槽间距小至几微米。如果铝线线径按照 380um 计算，一个铝线焊点顺着沟槽方向大约可以压焊在 76 个到 190 个沟槽上。

若铝线焊接垂直于沟槽方向，按照铝线焊点 1200um 长度计算，可以压焊在 240 个到 600 个沟槽上。

1.1 试验验证方案设计

验证试验分两组进行，一组焊点平行沟槽，另外一组焊点垂直沟槽。使用 IGBT 同批次晶圆、相同封装材料（引线框架、焊料、环氧树脂）及各封装阶段的工艺参数保持一致（铝线键合工艺除外）。封装及电性能测试完成后对器件进行 BV 测试（耐压测试）和高温反偏漏电测试。

1.2 试验结果分析

器件耐压测试结果：通过数据可以看出平行沟槽焊线的器件，耐压曲线 -125℃以下击穿电压偏低；而垂直沟槽焊线的器件，其耐压曲线击穿电压保持在 600V 以上，但高温曲线拐点偏软。测试曲线如图 2 及图 3 所示。

高温漏电测试结果：通过数据可以看出平行沟槽焊线的器件，漏电曲线爬升率较大；而垂直沟槽焊线的器件，漏电曲线较平缓，但还是有上升趋势。

2 铝线键合参数对器件的影响

铝线键合参数主要是验证 Force（压力）、Power（功率）、Time（时间）对器件可靠性的影响。

2.1 试验验证方案设计

封装材料不变，采用垂直沟槽焊线方式。验证试验分两组进行，一组采用偏上限参数键合，另外一组采用偏下限参数键合。封装完成后进行器件耐压及高温漏电测试。

2.2 试验结果分析

器件耐压测试结果：通过数据可以看出试验 1 上限参数焊线的器件，耐压曲线偏软。而试验 2 下限参数焊线的器件，耐压曲线较硬，击穿电压高。

高温漏电测试结果：通过数据可以看出试验 1 上限参数焊线的器件，漏电曲线爬升率较大。反之试验 2 下限参数焊线的器件，漏电曲线平缓，但依然有上升趋势。漏电监测曲线如图 4 及图 5 所示。

3 键合铝线线径对器件的影响

本节中所讨论的键合参数在保证焊接品质的前提下，只能小范围调整。而通过键合铝线线径的改变，不仅可以直接表现为单根铝线与芯片接触面积的改变，也可以表现为键合参数大范围的变化。

3.1 试验验证方案设计

验证试验分两组进行，一组采用 380um 普通键合参数；另外一组采用 200um 普通键合参数；封装完成后进行器件耐压及高温漏电测试。

3.2 实验结果分析

器件耐压测试结果：通过实验可以看出，实验 1380um焊线的器件，耐压曲线偏软，击穿电压偏低。反之实验2200um 焊线的器件，耐压曲线较硬，击穿电压高。

高温漏电测试结果：通过数据可以看出 380um 焊线的器件，漏电曲线爬升率明显。反之 200um 焊线的器件，漏电曲线平缓。漏电监测曲线如图 6 及图 7 所示。

4 结 论

本文分析了铝线键合的三个重要因素——第一焊点方向、键合参数及铝线线径对器件耐压及漏电的影响。通过实验数据可以看出，焊点方向的改变可以改善器件的耐压及高温漏电情况；下限参数键合也可以在一定程度上改善器件的耐压及高温漏电问题；200um 线径铝线带来的大范围键合参数的改变，能够彻底解决器件耐压曲线偏软、高温漏电偏大的问题。

针对超薄、高密度 Trench 芯片，铝线工艺需要注意：第一，铝线第一焊点与沟槽方向垂直；第二，在保证过电流能力及焊线效率的前提下，尽量采用小线径多数量的焊线方式。