摘要：本文分析和讨论了混合集成DC/DC 变换器芯片互连老化的情况。证实器件的老化是由金/ 铝金属间化合物在高温下的降解引起的。老化模式与温度直接相关。因此，根据产品的实际封装和老化情况，分析了芯片键合层腔体、衬底背电极槽、对流传热系数和输入电压对芯片温升的影响，并提出了相应的措施。
关键词：变换器；老化；温度；
Aging analysis and simulation of hybrid integrated circuit DC/DC converter
Abstract ：Thi s paper analyzes and di scusses the aging of interconnect of hybrid integrated DC/DC converter chips. I t was p roved that the agin g of the device was cau s ed by t he de g ra da t i o n o f g o l d/ a l umi num i nt e rme t a l l i c c o mpounds at high temperature. Aging patterns are directly related to temperature. Therefore, according to the actual packaging and aging of the product, the influence of chip bonding layer cavity, substrate back electrode slot, convection heat transfer coefficient and input voltage on chip tem perature ris e was analyzed, and the corresponding measures were put forward.
Keywords: converter; Aging; Temperature;
引言
随着信息产业的飞速发展，以集成电路为核心的电子信息 产业得以迅猛发展，甚至超过了以汽车、石油、钢铁为代表的 一系列传统产业， 并为改造和拉动传统产业向新的数字化模式演变提供了巨大的硬件支持。因此拥有自主版权的集成电路已 经成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和 国家安全的保障。
得益于工艺和设备的持续改进，集成电路的集成度和产品性能每 18 个月增加一倍， 单个芯片容纳器件的数量也在以数量级的方式急剧增加， 集成电路结构也由简单功能向具备更多和更复杂的功能转变。
然而，对于任何电子设备，无论处于何种工作状态和工作 阶段，都需要稳定的工作电压和工作电流。因此电子设备中的 电源直接影响了电子产品的使用体验和寿命。当负载突变时， 尽量减小电源的输出特性受到影响， 要求电源系统尽快恢复负载突变前的稳定状态，是所有电子设备的诉求。因此，作为电 源的核心部分的变换器，起着尤为关键的作用。
本文结合实际使用中出现的典型故障案例，对产品中芯片 互连线的老化问题进行了分析和探讨。金 / 铝金属间化合物在高温下结合部位的相互扩散效应会导致互连线老化失效。故障与 温度有直接关系。根据产品的实际封装和老化情况，分析了衬 底背电极槽、对流换热系数和输入电压对芯片温升的影响。
实验条件与分析方法
实验条件
品牌：魏德米勒
型号 9916280024CP-BBU115-230VAC/24VDC
类型：混合集成电路 DC/DC 变换器调制方式：脉冲宽度调制 (PWM) 式晶体管连接方式：单端式输入电压：24 V；输出功率：50 W；输出电压：24 V；工作效率： 100% 输出纹波噪音：0.01
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图 1 混合集成电路DC/DC 变换器
Figure 1 hybrid integrated circuit DC/DC converter
产品经过应力、满载和 120 小时老化筛选后，温度系数为+ 135℃；最终结果为温度系数 + 125℃，满载时， 1 个产品 912 小时后无输出。也就是说，产品在满负荷 + 135℃、120 小时和
+125℃、1080 小时后失效。
分析方法
产品应进行外观检查、泄漏检测、电气试验等试验，然后打 开盖子进行分析。用固体显微镜观察产品的内部外观，未发现 异常。用万用表测试产品中各功能点的电压 ( 如图 1 所示 ) : 晶体管 V2 的基极和集电极电压正常，发射极电压 0 V 异常 ( 正常为10.3V)。图 2 示出了产品主电路的示意图。
图 2 产品主回路示意图
Figure 2 schematic diagram of the main circuit of the product
分析过程
无损分析
该产品通过脉宽调制驱动电压型金属氧化物半导体实现产品 的功率转换。目前，V2 发射极电压为 0V，即脉宽调制无电源， 直接导致产品无输出。用晶体管绘图仪测试失效的晶体管 V2， 器件基极和发射极之间的伏安特性曲线显示开路状态。芯片表面 的内部目视检查未发现燃烧和腐蚀等故障现象。应进一步进行焊 接张力测试 ( 破坏性检查 )，以检查发射器中引线的焊接情况。
键合拉力试验
对三极管芯片 V2 的键合合金丝进行了键合张力测试。基极的键合张力为 2.6gf ，发射极的键合张力为 1.8gf ，分离为 a3 模式。筛选后，最小张力标准为 2 . 5 gf，结合区形态为“紫色斑点”。产品中其他芯片键合线的键合强度合格，包括与 V2 同型号的键合合金丝和组装在一起的三极管 V13。
3 微观分析
用扫描电镜对产品中的三极管 V2 进行显微观察和能谱分析测试。在电子显微镜下观察金 / 铝结合张力失效的分离表面的形态和组成。金线球对应的分离面为凹面，其成分为金。对应于 金属化层的分离表面是凸起的， 并且对应的分离表面的组成比接近金∶铝 = 4 ∶ 1 。也就是说，键张力的分离来自金和铝之间的分离。此外，观察到金丝分离中心较光滑，而球分离部分较 粗糙，形成 kirkendall 空腔。没有发现其他元素，消除了污垢腐蚀故障的发生。
红外热像分析
选择同一批电气性能合格的产品进行红外热成像测试。测 试结果表明，在产品的芯片中，芯片 V2 的温升最高，相对于外壳的温升为 22℃。
分析定位
综上所述，经过长时间的老化试验应力后，芯片 V2 金 / 铝键合界面 Kirkendall 腔的形成，导致键合点无开路产物输出。由金线球和芯片铝膜形成的金 / 铝系统键合界面的热降解以铝膜的完全消耗为反应终止时间。键合界面热降解后，会出现金属间化 合物和 Kirkendall 空洞， 失效产物的界面会与 Au 和 Au4Al 晶体的晶界分离。最终的键合张力失效是 a3 模式失效，即芯片上的键合失效。这种现象通常用阿伦尼乌斯模型来评价，其降解速率 与温度直接相关。五种产品有 155 根金线。满载情况下，一根金线在 +135 ℃、120 小时和 +125 ℃、1080 小时后失效。实验条件已超过正常的 QCI 稳态寿命试验。结合芯片结温上升，芯片在+157℃结温下工作 120 小时。针对这种失效模式，为了进一步提高产品的可靠性，我们进一步分析了结温升高的影响因素。
结温温升影响因素分析
模型建立
包装材料的建模参数见表 1 。该模型由芯片、粘接层、基板、焊料层和外壳五部分组成。芯片焊线的散热被忽略。芯片通过粘 合层与衬底连接，各部件之间的界面假设为理想接触，模型和相 应材料为均质各向同性连续介质。除了文章中提到的，衬底焊料 层和芯片的凹槽都在中心，并且粘合层的厚度为 0 . 05 mm。热源是芯片功耗， 尺寸为 0 . 3 W。芯片的表面积为 0 . 49 mm2 。结合产品的结构分析，热能主要以传导的形式传递。
表 1 材料参数
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壳到空气热阻与对流换热系数
在产品的老化实际使用中，芯片产生的热量以传导的形式 传递到外壳。通过在产品的底壳上施加散热片来带走产生的热 量，以实现强制冷却。产品与散热器之间的夹紧压力以及产品 与散热器之间导热硅脂的涂覆状态将直接影响从外壳到空气的 散热效果。散热效果以等效对流传热系数为特征。自然空冷的 对流传热系数一般为 5 - 20 W / ( m2℃ )。结合翅片的空气强制对流传热系数可超过 100 W /(m2℃ )。水强制对流的换热系数高达15000 W/( m2℃ )。在此过程中，由于换热系数不同引起壳到环境的热阻 R_ th( C- A) 。以不同对流换热系数为对象，进行计算 R_ th( C- A) 值。通过计算可以发现壳温温升随着对流换热系数的增加而减小。换热系数为 60W/(m2?℃ ) 时较 500W/(m2?℃ ) 时 R_th(C-A) 增加 20.9 ℃ /W， 折合成温度为 6.3 ℃。老化时建立良好的散热通道有利于壳温的控制。
焊接层槽宽与间距及对结壳热阻的影响
在产品包装中，芯片被粘在巧克力槽的中间。为了研究巧克力槽和芯片中心之间的紧密间距以及槽的宽度对结温升高的影响，我们设置了以下方案。将槽宽增量设置为 0.1 在产品包装中， 芯片被粘在巧克力槽的中间。为了研究巧克力槽和芯片中心之间的紧密间距以及槽的宽度对结温升高的影响，我们设置了以下方案。将槽宽增量设置为 0 . 1 mm- 0 . 6 mm，将槽与芯片中心的间距增量设置为 0.1mm-1.0mm，并将上述情况建模为研究对象。
模型计算结果如图 3 所示。结壳热阻 R_th(J-C) 随着槽宽的增加而增加。结壳热阻随着中心的间距的减小而增加。图中结壳 热阻的最大值与最小值之间的差达到 1.3℃ /W 对应温升差 0.4℃。
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图 3 结壳热阻与间距槽宽的关系
Figure 3 Relationship between the thermal resistance o f the crust and the pitch of the pitch
粘接层厚度与空洞对结壳热阻的影响
在实际的产品封装中，芯片粘接层的厚度和空腔会影响结 温的升高，并通过设置方案来分析具体的影响程度。参考吴浩 等人的研究，单个大通孔的热阻增加最显著，是同一面积的离 散孔的几倍。我们已经设置了以下方案 : 粘合剂层空腔的边缘长度被设置为 0 mm 到 0 . 5 mm 的增量，并且空腔是单个空腔。芯片粘合层的厚度被设定为 0 . 04 mm 至 0 . 06 mm 的增量。以上参数作为建模和分析的对象。模型的计算结果如图 5 所示。结热阻随着芯片粘合层厚度的增加而增加。平均厚度增加 0 . 01 mm，结热阻增加 3 . 2℃ / W，结热阻随着粘接层空腔的增加而增加。以0 . 06 mm 厚度为例， 0 . 3 mm 空腔的热阻比无空腔的样品增加了4.1 ℃ /W。该参数为 7.3 ℃ /W， 厚度大于 0.05mm， 无空隙， 降温为 2 . 2℃。与衬底焊料层的槽宽相比，粘合剂层的空腔对结壳的热阻有更直接的影响，这与文献分析的结果一致。
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图 5 结壳热阻与粘接层厚度、空洞的关系
Figure 5 Relationship between thermal resistance of crust and thickness and void of bonding layer
温升与输入电压
在满载工作条件下 V2 作为热源存在， 其温升计算公式及结果如下：
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其中 VIN 为输入端， Rth(J-C) 为结壳热阻 ( 以仿真结果记为46.6 ℃ /W)。电流 I 是给 PWM 供电的电流， 以 17mA 计算。输入 28V 时芯片功耗为 0.29W， 输入 36V 时芯片功耗为 0.49W。相应的温升为 9 . 5℃。控制芯片的功率密度可以有效降低芯片的温升，如增加绕组电源、优化芯片尺寸等。对于系统级封装， 集成度大大提高，芯片功率控制对温度的重要性更加突出。
综合分析
上述因素将影响芯片的温升，必须加以控制。根据实际情况， 分析了芯片键合线kirkedall 失效的主要原因。表中列出了上述
因素对芯片结温上升的影响结果，如表 2 所示。
表 2 影响因素对比
Table 2 comparison of influencing factors
变量典型温升数据分析
组装因素粘接层焊接层散热片输入电压
2.2℃0.4℃6.3℃9.5℃
工作条件因
素要因非要因要因要因
工艺优化散热状态功率密度
与混合集成电路的组装结构相比，芯片粘接层对温升的影响 比衬底背电极更显著，通过工艺优化可以获得更理想的温升控 制。与装配因素相比，外部工作条件对温升的影响更为显著。通 过导热硅脂的有效涂覆、良好的夹持和芯片功率密度控制，可以 获得 9℃以上的温度变化。对于电源电路或系统级封装，工作条件的选择和控制更值得关注。
总结
综上，通过对产品的失效分析，可以总结出以下几点 :
产品经受严重老化测试应力后 ( 芯片 V2 的结温达到 157 ℃， 持续 120 小时 )， 芯片 V2 的金 / 铝键合界面 Kirkendall 空洞导致产品无开点输出。为了进一步提高产品的可靠性，建议 功率器件考虑铝引线键合。
与混合集成电路的组装结构相比，芯片键合层状态对温升的影响比衬底背电极更显著，通过工艺优化可以获得更理想 的温升控制。
对于电源电路或系统级封装，外部工作条件对芯片结温升高的影响更加突出，值得制造商和用户进一步关注。通过良 好的散热通道和芯片功率密度控制，实现了良好的外壳温度和芯 片结温控制，进一步提高了产品的应用可靠性。
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论文作者:李凯丽
论文发表刊物:《福光技术》2019年32期
论文发表时间:2020/3/13
标签：芯片论文; 变换器论文; 产品论文; 空腔论文; 系数论文; 电压论文; 集成电路论文; 《福光技术》2019年32期论文;