肖特基二極管銀遷移失效機理分析和研究

石謹寧 周道明

（長城電源技術有限公司 廣東省深圳市 518108）

電子產品中的金屬電遷移導致的失效現象主要表現為生成樹枝狀枝晶生長，導致兩個相鄰導體之間產生不應有的電氣連接而失效。在半導體器件常用的金屬中，引起離子遷移的金屬不限于銀，還有相當多已知的金屬和合金，并且引起遷移的速度的次序大致如下[1]：Ag>Cu>Sn>Au。在電子元器件中含銀的焊料因其具有良好的流動性和填充能力，被廣泛用于芯片和片式元件的貼裝以及芯片、半導體器件的Bonding 線或晶圓焊接，一般銀遷移現象在表貼元件如電阻、電容等器件中較為頻發，而在塑封器件中發生較少，其主要原因是塑封材料具有良好的密封性和穩定的材料結構。本文提供了開關電源應用中肖特基二極管的銀遷移失效案例，闡述了在插件封裝半導體器件中的銀遷移失效機理，并給出分析方法和預防措施。

1 銀遷移失效機理

電子元件的遷移根據發生環境的不同有兩種表現形式。電遷移是一種在相對較高溫度（150℃）的干燥環境中發生電子動量傳遞的固態遷移，離子遷移是發生在周圍溫度低于100℃的潮濕環境中[2]。離子遷移是由于電流使電離產生的少數離子在導體中產生流動，當關閉施加電壓后，離子進行隨機的熱擴散現象。

本文闡述的銀遷移屬于離子遷移的表現形式，受溫度、電壓和正負電極的距離所影響。在塑封器件封裝中最重要的遷移參數是導體的組成、環境濕度水平和密封性的類型。

銀遷移是個電化學過程，但銀遷移在塑封器件中的是比較少見的失效模式，銀需要在高濕條件和外加電場下與絕緣體接觸，才能以離子的形式離開初始位置并重新沉積到新的位置[2]。銀遷移通常分為三個步驟：電解、離子遷移和電沉積。

1.1 電解

在電場作用下銀金屬被電解形成銀離子，潮濕的水汽被離子化。

1.2 離子遷移

陽極的銀離子與氫氧根離子反應析出膠體沉淀物AgOH，陰極的氫離子與電子結合釋放出氫氣揮發。

1.3 電沉積

膠體沉淀物不穩定，在陽極分解成Ag2O 沉淀；Ag2O 沉淀物繼續發生水合反應，析出AgOH 晶狀物沉積。

2 銀遷移案例分析

2.1 案例背景

失效樣品為交換機適配開關電源。在客戶端使用近2年時間后多個電源出現無輸出，部分現象為輸出時有時無，失效集中在同一批次。經過初步分析定位，失效器件是為輸出12V 進行整流的肖特基二極管，該器件因短路失效導致電源無輸出。

2.2 失效分析

將失效樣品與良品電源交叉驗證，未發現線路異常故障問題。將失效的肖特基管進行X-ray 觀察對比，發現失效樣品內部有細小陰影，表明晶圓基本結構有變化，說明存在損傷。通過化學開封去樹脂后，在焊接釘頭與晶圓邊緣發現燒點，在燒點周邊有疑似晶體裝的異物存在。

如圖1所示，去掉焊接釘頭觀察晶圓，可以看到該肖特基為平面結構。燒點在場限環邊緣，外延層附近多個位置存在異物，電鏡下觀察邊緣處的異物呈現細小的枝晶狀。如圖2所示。

圖1：去樹脂后的失效肖特基顯微圖像

圖2：失效肖特基晶圓顯微圖像

對晶圓失效點表面進行元素定量分析，確認所存在的表面元素成分。結果發現晶圓場限環附近及外延層多個位置存在銀元素，檢測點成分含量最大處高達51.07%wt，位于擊穿點附近位置。如圖3和表1所示。

表1：各譜圖位置Ag 含量

圖3：表面色譜分析

掃描電子顯微鏡成像顯示，含銀元素位置呈現枝晶狀擴散。因此該失效為典型的銀遷移失效，銀遷移導致了晶圓漏電，在反向電壓作用下邊緣形成局部熱點，導致芯片耐壓降低而燒毀擊穿。如圖4所示。

圖4：掃描電子顯微鏡成像

2.3 銀遷移路徑

肖特基二極管和普通二極管的差異在于肖特基結。肖特基結是某些金屬如鎳、鉻、鉑、鈀、鎢或鉬等和N 型半導體材料接觸后，電子從N 型半導體材料中擴散進入金屬從而在半導體材料中形成的一個類似PN 結勢壘的耗盡層，具有和常規PN 結類似的特牲。

肖特基二極管的晶圓結構一般有平面結構、垂直結構、溝槽結構等。該肖特基結為平面結構，這類結構是最典型的肖特基結構，其最大的特點就是制造簡單、工藝成熟。肖特基接觸金屬為鈦鎳合金(Ti-Ni)，晶圓焊接使用含銀(Ag)焊料。為研究銀遷移在平面肖特基二極管晶圓上的生長路徑，對失效品進行切片和層間金屬分析以區分各層結構。肖特基管襯底為N+型高濃度摻雜區，外延層為N 型半導體，絕緣非金屬氧化物SiO2為鈍化保護層，金屬合金材料Ti-Ni-Ag 與N 型半導體摻雜形成肖特基結。如圖5所示。

圖5：平面結構肖特基晶圓分層結構

當在肖特基勢壘兩端加上正向偏壓（陽極金屬接電源正極，N+型襯底接電源負極）時[3]，肖特基導通，此時肖特基結壓降僅0.7V，該電壓很小，不足以引起Ag+發生遷移。當加反向偏壓（陽極金屬接電源負極，N+型基片接電源正極），肖特基結的壓降很高，此時金屬面中電離出的Ag+離子向攜帶自由電荷的N 型外延層移動。當在濕氣作用下，Ag+有加速向N 型半導體遷移的趨勢，并沿著SiO2層逐漸沉積蔓延。如圖6所示。

圖6：平面結構肖特基銀遷移路徑

2.4 材料分析

取更多的失效樣品進行掃描電子顯微鏡成像觀察，發現有部分未完全失效的肖特基管，其側面劃片區存在銀遷移枝晶。離子遷移由溫度、濕度、導體距離三者共同作用，金屬層和N 型半導體之間有SiO2鈍化保護環間隔，同時外部塑封材料能夠阻止一些濕氣侵入，因此在正常的使用環境下，一般不會形成銀遷移。

對比不同批次的晶圓，發現失效批次的物料存在晶體偏薄偏小的情況。廠商提供的晶圓長寬尺寸為1830um,實際量測長寬尺寸減少了20um 左右，而晶圓厚度偏薄4um 左右。

觀察不同批次周期的開封視圖，發現失效批次的焊錫在晶圓邊緣有不同程度的浸出，導致SiO2鈍化區域寬度減少。有部分晶圓甚至在劃片區就出現了銀遷移的現象。根據廠家的工藝調查，該批次的晶片結構發生了改變但焊錫工藝未做調整，因此導致了焊料有不同程度的浸出現象，使焊料中的Ag 與N 型外延層的距離大大減少，在少量濕氣的長時間作用下形成了銀遷移，進而使反向漏電加大，最終導致PN 結擊穿。如圖7所示。

圖7：平面肖特基結構劃片區銀遷移現象

3 抗離子遷移的措施

上述的案例說明，肖特基二極管的平面工藝結構本身對離子遷移的形成具有有利的條件，此類器件不適合用于惡劣環境中，尤其是在溫、濕度相對差的環境下。但是肖特基二極管相比一般硅二極管具有較低的正向壓降和較小的反向恢復時間等良好優點，因此在實際應用中有必要在找到肖特基二極管抗離子遷移的一些措施。

選型上應盡可能使用非平面結構（如溝槽結構、垂直結構）的肖特基管，這類結構的肖特基管焊接點接觸面小，使得離子遷移的導體距離增加，降低了銀遷移的風險。另外肖特基二極管從封裝形式區分有引線和表面安裝兩種，引線式封裝的肖特基二極管，特別是軸向引線式的封裝在生產中常有彎腳、闊腳等二次工藝需求，從而導致了引線位置有存在密封不良的風險，而表貼封裝則避免了這種隱患。

設計上應當合理地進行熱設計，盡可能降低電流密度，以防止熱不均勻性和降低晶圓溫度，使離子遷移的形成速度大大降低；

材料上應當使用性能更良好的焊料，降低焊料中的銀焊料。二元銀合金被廣泛用來減少銀遷移，例如Ag-Pd 焊錫。從許多已建成的相圖中可以發現，銀和鈀表現出完全的固溶度。在純銀中加入鈀可以改善焊料的抗浸出性和減少銀遷移。

4 結論

肖特基二極管由于其特殊的晶圓結構，為銀遷移的發生提供了有利的條件。本文通過闡述失效肖特基二極管的微觀分析過程，并討論了失效機理和失效路徑，提供了肖特基二極管平面結構工藝的典型銀遷移現象，證實了含銀焊料對平面結構肖特基二極管銀遷移的形成有一定的風險，提出該類器件不適用于惡劣環境條件的觀點，同時提供了抗離子遷移的建議和措施。該案例為分析和預防肖特基二極管的銀遷移失效提供了參考。