【摘 要】 伴隨功率金氧半場效晶體管（mosfet）電流和工作電壓的大幅度增加，以及芯片尺寸的逐漸減小，從而導(dǎo)致器件芯片內(nèi)部電場也相應(yīng)增大。這些現(xiàn)象都嚴重影響功率M0SFET的可靠性，怎樣提升功率器件的可靠性備受業(yè)界的期待。而其中關(guān)鍵的影響因素是功效器件封裝失效的問題。本文介紹功率器件封裝的內(nèi)涵和分類，通過對失效機理的分析，提出功率器件封裝工藝優(yōu)化的路徑。

封裝工藝是為了提升電子設(shè)備運行的可靠性，采取的相應(yīng)保護措施，即針對可能發(fā)生的力學(xué)、化學(xué)或者環(huán)境等不確定因素的攻擊，利用封裝技術(shù)和特殊材料對電子設(shè)備進行保護。封裝技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天設(shè)備、汽車、計算機以及移動通信設(shè)備等諸多領(lǐng)域中。

但伴隨著超低壓、超高壓、強濕熱、大溫差等特殊條件下電子設(shè)備運行要求的增加，加之封裝器件日趨大功率應(yīng)用、小尺寸化、功能高集成化以及越發(fā)復(fù)雜化的因素，經(jīng)常發(fā)生因為封裝失效引起電子設(shè)備運行過程中故障問題，嚴重影響了功率器件的可靠性。因此，封裝失效問題以及如何對封裝工藝進行優(yōu)化，是目前封裝行業(yè)需要研究的課題 ［1］ 。

1 功率器件封裝簡介及分類

1.1 封裝簡介在芯片的應(yīng)用過程中，封裝（Package）工藝是必不可少的。簡單地說，該工序就是為半導(dǎo)體集成電路芯安裝一個外殼，具備兩方面的功能，其一是穩(wěn)定、密封和保護芯片；其二是發(fā)揮芯片散熱的作用，其三是連接芯片內(nèi)部和外部的載體。

從作用機理來說，通常包括連接電氣、物理保護以及標準規(guī)格化。封裝質(zhì)量的好壞直接影響器件運行效率的高低，尤其針對功率半導(dǎo)體器件，封裝還會起到兩方面特殊的作用：良好的封裝可以幫助器件散熱；針對較大的芯片，封裝可以產(chǎn)生封裝和焊接芯片過程中的應(yīng)力，避免芯片破碎。

1.2 封裝形式分類

1.2.1 塑封直列式封裝塑料封裝最大優(yōu)勢是適合大批量生產(chǎn)、工藝簡單、成本較低，由此適應(yīng)性極強，應(yīng)用和發(fā)展的趨勢良好，在封裝行業(yè)的總體份額中占比越來越大，在全球集成電路的封裝市場上，95%以上為塑封直列式。消費類電路合格器件的封裝幾乎都是該類型的封裝；

同時工業(yè)類電路中也占據(jù)很大的比例。該類封裝的形式也是最多的。最普遍使用的有兩種封裝形式：TO—220；TO—247。塑料封裝的電流傳送量很大。為了提升散熱效果，會將塑封器件緊貼線路板或者散熱器，實現(xiàn)最佳的散熱效果。

1.2.2 大功率器件應(yīng)用模塊隨著近些年日益普及的igbt，可以將單個igbt、兩個或者三個igbt，與控制電路放在一個模塊中實施封裝。而且正在出現(xiàn)的多模塊（mcm）形式，代表了封裝領(lǐng)域的新趨勢。

1.2.3 塑封表面貼裝及其他塑料封裝是一種對功率器件表面貼裝模式，這是80年代得到迅速發(fā)展的塑封形式。通常采用兩端和三端進行分立器件的封裝。雖然單個分立器件不需要許多端子，但是端子的增加有利于電流的流動和散熱。例如，t0263、t0262和其他形式的包裝類似于此特性 ［2］ 。

1.2.4 高可靠性封裝該封裝模式多半在軍工或航天領(lǐng)域應(yīng)用?；诳煽啃缘囊?，外殼利用金屬封裝。

2 功率器件的失效分析

2.1 焊料空洞導(dǎo)致EOS失效本文借鑒了相關(guān)文獻的研究成果，確定了影響器件散熱的因素為焊料的空洞，對不同尺寸空洞影響器件散熱的程度進行深刻分析，并以此為基礎(chǔ)深入探討研究器件芯片可靠性受焊料空洞影響程度及其熱應(yīng)力的狀況。

目前廣泛應(yīng)用的環(huán)氧塑封料形式呈現(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)非常低，熱導(dǎo)體效果不佳，功率器件運行中形成的熱量傳遞的途徑唯有芯片。如圖1所示，圖1中箭頭的方向就是芯片在工作狀態(tài)下產(chǎn)生熱的傳輸方向。從圖1中不難看出，如果焊料內(nèi)空洞形成的原因是器件生產(chǎn)過程中工藝不當，基于空氣導(dǎo)熱系數(shù)只有0.03w/ （m.k），表現(xiàn)熱導(dǎo)體的不佳狀態(tài)，器件散熱受到影響，在這樣的狀態(tài)下長久運行，ESO會因為大量熱量的積累而導(dǎo)致器件失效。

2.2 柵極開路導(dǎo)致EOS失效場效應(yīng)晶體管（mosfet），是電壓管控的一種手段，在絕緣層的溝道區(qū)對柵壓實施有效的管控，而利用柵壓大小的改變對此區(qū)域的載流子濃度實施調(diào)控，從而確保源漏間電流大小的有效控制。因為打線不牢導(dǎo)致柵極引線升離或是因為長時間的熱循環(huán)讓引線跟部裂紋產(chǎn)生斷裂后，產(chǎn)生柵極開路，從而失去柵極控制電流的能力，引發(fā)EOS，導(dǎo)致器件失效。

2.3 芯片裂紋導(dǎo)致EOS失效硬而脆的單晶硅晶體具備金剛石的品質(zhì)，一旦形成硅片受力容易脆斷與開裂。在引線鍵合、晶圓減薄、芯片焊接、圓片劃片等工序中都可以形成硅芯片裂紋。

通常情況下，芯片只是在引線區(qū)域外的微裂紋，就難以被發(fā)現(xiàn)，最糟糕的情況是在工藝實施中沒有發(fā)現(xiàn)芯片裂紋，更甚者是電學(xué)測試芯片的時候，微裂紋的芯片與沒有裂紋的芯片在電特反應(yīng)上不存在差別，但微裂紋會危及封裝后器件的可靠性、降低器件的使用年限。裂紋只有下列幾種情況才能顯示出來：采用十分靠譜的高低溫循環(huán)實驗或者是器件散熱時候瞬間加熱，呈現(xiàn)不匹配的芯片和封裝材料熱膨脹系數(shù)，還有運行中的外界應(yīng)力作用等。否則是難以發(fā)現(xiàn)裂紋的，這也會成為器件封裝失效的原因。

3 功率器件封裝工藝優(yōu)化研究

3.1 問題分析在功率器件封裝工藝中，最關(guān)鍵的工序就是芯片焊接 ［3］ 。焊接過程是利用熔融合金焊料將芯片與引線框架結(jié)合，使引線框架散熱器與芯片集熱器的歐姆接觸形成良好的散熱途徑。因為性質(zhì)不同的粘結(jié)劑和固體表面，以及化學(xué)、吸附、力學(xué)、靜電、配位鍵、擴散等諸多因素，并不能對不同表面和粘結(jié)劑粘結(jié)的道理做出清楚解釋。

同時，氣體、油污、塵埃等污染物都會被固體表面所吸附，導(dǎo)致表面因為氧化膜而污跡斑斑。

另外，基于加工精度的影響，因為加工精度不夠，固體表面會存在宏觀和微觀的幾何形狀誤差，粘貼的界面只是中幾何面積的2％-7％，所以，嚴重降低了粘結(jié)劑對固體表面的保濕功能。

所以，針對器件封裝的芯片焊接工藝，焊料中的空洞成為最嚴重的問題，不僅削弱了器件的散熱能力、阻礙了與歐姆接觸，更對功率器件的可靠性構(gòu)成威脅。

由于芯片必須先焊接在引線框架上，然后將芯片連接到框架上，最后實施高溫焊接，因為器件和粘合劑類型的差異性，也會呈現(xiàn)不同的焊接曲線和溫度。3.2 優(yōu)化措施確定在優(yōu)化電源裝置的焊接工藝之前，對該裝置進行 x 射線掃描。結(jié)果表明，焊料空洞約占芯片面積的1%-7% 。

按照電源裝置的有關(guān)規(guī)定，焊料里的空洞大小不超過芯片面積的百分之十才可定性為合格產(chǎn)品?？墒窃诰唧w的運行實踐顯示，就算低于10%的空洞面積的器件可靠性也難以保障。本文的試驗利用對時間曲線、焊接溫度的優(yōu)化，以減少焊料的空洞，明顯提升了器件的可靠性、讓使用壽命得以有效延長。

3.3 優(yōu)化效果對比分析在進行芯片封裝工藝優(yōu)化之前，試驗樣品選擇的片焊溫度-時間曲線溫度最高值358.9℃，熔融時間為37分鐘，焊接后降溫速率是9.71℃/秒；工藝實施優(yōu)化后，芯片焊接溫度-時間曲線的最高溫度為358.3℃，需要39分熔融時間，焊接后的降溫速率為8.95℃/秒。

提升相關(guān)工序的溫度，可以促進芯片下悍膏的流動性，加速悍膏內(nèi)空氣的排出；而對焊后降溫速率的降低，有助于對芯片的保護，最大限度避免芯片產(chǎn)生裂紋。針對優(yōu)化措施前、優(yōu)化措施后，隨機分別抽取5個樣品，利用Ｘ—Ray對焊料的空洞實施測量同時對兩者的結(jié)果進行比較，結(jié)果顯示，在工藝優(yōu)化措施實施前焊料空洞量為1.4%-6.6%之間。

優(yōu)化前，芯片焊接空洞的孔隙率不同，部分孔隙率甚至達到10% 的最大范圍。而對芯片的焊接采用優(yōu)化措施后的焊接曲線，器件的焊料空洞已經(jīng)沒有，表現(xiàn)顯著的優(yōu)化效果。焊接溫度的提高會讓熱應(yīng)力加強，但優(yōu)化結(jié)果獲悉，焊料的空洞更能夠減少。

因為考慮到提升器件的可靠性，雖然極大的應(yīng)力會因為焊接溫度升高而加大，但空洞減少的價值和意義更大。同時測試優(yōu)化前后的樣品采用Undamped Inductive Loading進行測試，Uil 可以作為衡量設(shè)備阻力的參數(shù)。

測試原理如下： 將柵極電壓施加到器件上后，由外部電源對電感器進行充電，直至電感器產(chǎn)生預(yù)期的電流測試值，從而完成電感器的充電過程; 電感器對器件進行反向放電，完成電感器的放電過程。感應(yīng)器反向放電到設(shè)備，會導(dǎo)致器件的雪崩狀態(tài)，以此測試器件的抗EOS能力。

對優(yōu)化前后的兩組樣品，隨機抽取15個樣品進行 uil 檢測，測試公式為：V DD =23V，V GS ＝10Ｖ，L＝0.3mH。同時，對物態(tài)方程的能量和電流進行了比較和分析。實驗結(jié)果表明，eos的能量為279.3mj，平均電流為41.8a，沒有焊接腔的 eos 的能量為307.6mj，平均電流為46.1a。

因此，無焊接腔器件必須具有較高的能量和電流才能導(dǎo)致 eos 失效，因此，沒有焊點的器件比有焊點的器件具有更高的抗失效能力。4 結(jié)束語盡管目前對封裝實效問題的研究已經(jīng)成為熱點，也取得了一定成效。但對于封裝失效形成以及演化規(guī)律的研究才剛剛開始，以往的多數(shù)研究主要是基于對封裝材料的研究，對金屬與聚合物界面的影響關(guān)注甚少。

所以，對封裝失效問題的后續(xù)的深入研究，必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行關(guān)鍵的補充，研究領(lǐng)域應(yīng)該注重封裝功率器件整體的關(guān)注，要以器件與封裝材料界面彼此作用前提下，綜合試驗研究與仿真建模研究的實踐數(shù)據(jù)，對封裝失效過程的形成、變化的軌跡以及多場耦合效應(yīng)進行全面分析，找出功率器件實際使用壽命低于預(yù)期使用壽命的真正原因，為提升封裝工藝以及器件的可靠性提供幫助。

4.1 大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)流程在前面分析過大數(shù)據(jù)挖掘的概念，即利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)發(fā)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的特征，通過建立模型來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的關(guān)系，從而為企業(yè)發(fā)展提供參考。大數(shù)據(jù)挖掘的流程分為以下幾個階段：數(shù)據(jù)源 — —數(shù)據(jù)抽取 — —數(shù)據(jù)匯集與清洗 — —數(shù)據(jù)加工 — —數(shù)據(jù)分析 — —可視化，如圖1所示。

4.2 利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建財務(wù)分析框架圖利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以構(gòu)建財務(wù)分析框架。構(gòu)建思路如下：首先確定數(shù)據(jù)源。該數(shù)據(jù)源不僅僅指傳統(tǒng)財務(wù)分析中的報表財務(wù)數(shù)據(jù)，還有很多非財務(wù)數(shù)據(jù)。其次是數(shù)據(jù)抽取和數(shù)據(jù)匯集與清洗，從而得到目標數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)源中抽取出對企業(yè)有用的信息，或者企業(yè)需要分析的某一方面的數(shù)據(jù)。

例如，企業(yè)想通過分析員工的出差天數(shù)，或者差旅費來對公司成本進行控制，那么就需要從數(shù)據(jù)源中抽取相關(guān)數(shù)據(jù)。抽取這些數(shù)據(jù)之后，需對其進行去重，清洗，截取字段等工作，去除無用信息，保留有用數(shù)據(jù)。再次是數(shù)據(jù)挖掘。該步驟包括了數(shù)據(jù)加工和數(shù)據(jù)分析。

在該過程中，需要企業(yè)利用大數(shù)據(jù)平臺中的語言和符號，利用規(guī)定的算法，模型等來對前一步驟篩選出的財務(wù)數(shù)據(jù)進行處理分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)部存在的關(guān)系，從而為企業(yè)的商機預(yù)測和風險防控做鋪墊。最后是數(shù)據(jù)可視化。

該步驟可以通過形象直觀的內(nèi)容來表現(xiàn)出財務(wù)分析結(jié)果的內(nèi)容，從可視化圖形中可以直觀觀察財務(wù)數(shù)據(jù)和各種指標走勢，使得大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的結(jié)果更加形象生動，并且容易被管理層所理解。根據(jù)以上分析，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建財務(wù)分析框架圖。

5 結(jié)語“互聯(lián)網(wǎng)+”時代是萬物互聯(lián)的時代，也是海量數(shù)據(jù)和信息的時代，將大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)深入應(yīng)用到企業(yè)財務(wù)分析領(lǐng)域還值得更深層次的研究。

當然，要把大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于財務(wù)分析，還需要解決以下幾個問題：

一是財務(wù)人員的技術(shù)問題。企業(yè)所雇傭的財務(wù)人員是否能夠熟練運用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)并進行財務(wù)工作的開展。

二是企業(yè)是大數(shù)據(jù)平臺問題。自己搭建大數(shù)據(jù)平臺耗時耗力，而企業(yè)通過第三方服務(wù)機構(gòu)購買一些大數(shù)據(jù)平臺又可能無法滿足自己所有的工作需求。

三是完全依賴網(wǎng)絡(luò)處理財務(wù)問題。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)不可避免存在漏洞，也會有很多黑客技術(shù)盜竊數(shù)據(jù)信息，企業(yè)如果一味依賴大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)處理財務(wù)問題，企業(yè)財務(wù)乃至整體都會遇到更加嚴重的安全問題 ［4］ 。因此，企業(yè)需要從各個方面合理、安全的利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，讓其為自身所用，而非被其所困。

來源：輕工科技 2021年第37卷第7期

作者：陳逸晞

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