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。
关键词：铝线键合；绝缘栅双极型晶体管；耐压；漏电
中图分类号：TN322.8 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）12-0041-03
Effect of Aluminum Wire Bonding Process on Voltage and
Leakage Characteristics of FS-IGBT Devices
JIANG Wei，AO Libo，LIANG Saichang，LIU Yongqiang
（Telecommunication Institute of Gree Electric Appliances，Inc. of Zhuhai，Zhuhai 519070，China）
Abstract：With the development of chip manufacturing technology，the thickness of IGBT chip is getting thinner while the density of trench in gate need to be larger，so as to keep more current to get through. The change of chip structure leads to new challenge in packaging，especially the aluminum wire bonding process. This paper mainly introduces the bonding technology of insulated gate bipolar transistor（Trench-FS IGBT） with groove field cut-off structure. The influence of aluminum wire bonding process on the voltage withstanding and leakage characteristics of the device is studied through many verification experiments. It is concluded that the reliability of the device can be improved by three factors：the distribution of the first solder joint，the parameters of the solder wire and the diameter of the solder wire.
Keywords：aluminum wire bonding；insulated gate bipolar transistor；withstand voltage；leakage current
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。
参考文献：
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作者简介：江伟（1990.01-），男，汉族，江西高安人，本科，功率半导体专业组长。研究方向：电力电子-功率半导体。
