肖特基二极管银迁移失效机理分析和研究

石谨宁 周道明

（长城电源技术有限公司 广东省深圳市 518108）

电子产品中的金属电迁移导致的失效现象主要表现为生成树枝状枝晶生长，导致两个相邻导体之间产生不应有的电气连接而失效。在半导体器件常用的金属中，引起离子迁移的金属不限于银，还有相当多已知的金属和合金，并且引起迁移的速度的次序大致如下[1]：Ag>Cu>Sn>Au。在电子元器件中含银的焊料因其具有良好的流动性和填充能力，被广泛用于芯片和片式元件的贴装以及芯片、半导体器件的Bonding 线或晶圆焊接，一般银迁移现象在表贴元件如电阻、电容等器件中较为频发，而在塑封器件中发生较少，其主要原因是塑封材料具有良好的密封性和稳定的材料结构。本文提供了开关电源应用中肖特基二极管的银迁移失效案例，阐述了在插件封装半导体器件中的银迁移失效机理，并给出分析方法和预防措施。

1 银迁移失效机理

电子元件的迁移根据发生环境的不同有两种表现形式。电迁移是一种在相对较高温度（150℃）的干燥环境中发生电子动量传递的固态迁移，离子迁移是发生在周围温度低于100℃的潮湿环境中[2]。离子迁移是由于电流使电离产生的少数离子在导体中产生流动，当关闭施加电压后，离子进行随机的热扩散现象。

本文阐述的银迁移属于离子迁移的表现形式，受温度、电压和正负电极的距离所影响。在塑封器件封装中最重要的迁移参数是导体的组成、环境湿度水平和密封性的类型。

银迁移是个电化学过程，但银迁移在塑封器件中的是比较少见的失效模式，银需要在高湿条件和外加电场下与绝缘体接触，才能以离子的形式离开初始位置并重新沉积到新的位置[2]。银迁移通常分为三个步骤：电解、离子迁移和电沉积。

1.1 电解

在电场作用下银金属被电解形成银离子，潮湿的水汽被离子化。

1.2 离子迁移

阳极的银离子与氢氧根离子反应析出胶体沉淀物AgOH，阴极的氢离子与电子结合释放出氢气挥发。

1.3 电沉积

胶体沉淀物不稳定，在阳极分解成Ag2O 沉淀；Ag2O 沉淀物继续发生水合反应，析出AgOH 晶状物沉积。

2 银迁移案例分析

2.1 案例背景

失效样品为交换机适配开关电源。在客户端使用近2年时间后多个电源出现无输出，部分现象为输出时有时无，失效集中在同一批次。经过初步分析定位，失效器件是为输出12V 进行整流的肖特基二极管，该器件因短路失效导致电源无输出。

2.2 失效分析

将失效样品与良品电源交叉验证，未发现线路异常故障问题。将失效的肖特基管进行X-ray 观察对比，发现失效样品内部有细小阴影，表明晶圆基本结构有变化，说明存在损伤。通过化学开封去树脂后，在焊接钉头与晶圆边缘发现烧点，在烧点周边有疑似晶体装的异物存在。

如图1所示，去掉焊接钉头观察晶圆，可以看到该肖特基为平面结构。烧点在场限环边缘，外延层附近多个位置存在异物，电镜下观察边缘处的异物呈现细小的枝晶状。如图2所示。

图1：去树脂后的失效肖特基显微图像

图2：失效肖特基晶圆显微图像

对晶圆失效点表面进行元素定量分析，确认所存在的表面元素成分。结果发现晶圆场限环附近及外延层多个位置存在银元素，检测点成分含量最大处高达51.07%wt，位于击穿点附近位置。如图3和表1所示。

表1：各谱图位置Ag 含量

图3：表面色谱分析

扫描电子显微镜成像显示，含银元素位置呈现枝晶状扩散。因此该失效为典型的银迁移失效，银迁移导致了晶圆漏电，在反向电压作用下边缘形成局部热点，导致芯片耐压降低而烧毁击穿。如图4所示。

图4：扫描电子显微镜成像

2.3 银迁移路径

肖特基二极管和普通二极管的差异在于肖特基结。肖特基结是某些金属如镍、铬、铂、钯、钨或钼等和N 型半导体材料接触后，电子从N 型半导体材料中扩散进入金属从而在半导体材料中形成的一个类似PN 结势垒的耗尽层，具有和常规PN 结类似的特牲。

肖特基二极管的晶圆结构一般有平面结构、垂直结构、沟槽结构等。该肖特基结为平面结构，这类结构是最典型的肖特基结构，其最大的特点就是制造简单、工艺成熟。肖特基接触金属为钛镍合金(Ti-Ni)，晶圆焊接使用含银(Ag)焊料。为研究银迁移在平面肖特基二极管晶圆上的生长路径，对失效品进行切片和层间金属分析以区分各层结构。肖特基管衬底为N+型高浓度掺杂区，外延层为N 型半导体，绝缘非金属氧化物SiO2为钝化保护层，金属合金材料Ti-Ni-Ag 与N 型半导体掺杂形成肖特基结。如图5所示。

图5：平面结构肖特基晶圆分层结构

当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极，N+型衬底接电源负极）时[3]，肖特基导通，此时肖特基结压降仅0.7V，该电压很小，不足以引起Ag+发生迁移。当加反向偏压（阳极金属接电源负极，N+型基片接电源正极），肖特基结的压降很高，此时金属面中电离出的Ag+离子向携带自由电荷的N 型外延层移动。当在湿气作用下，Ag+有加速向N 型半导体迁移的趋势，并沿着SiO2层逐渐沉积蔓延。如图6所示。

图6：平面结构肖特基银迁移路径

2.4 材料分析

取更多的失效样品进行扫描电子显微镜成像观察，发现有部分未完全失效的肖特基管，其侧面划片区存在银迁移枝晶。离子迁移由温度、湿度、导体距离三者共同作用，金属层和N 型半导体之间有SiO2钝化保护环间隔，同时外部塑封材料能够阻止一些湿气侵入，因此在正常的使用环境下，一般不会形成银迁移。

对比不同批次的晶圆，发现失效批次的物料存在晶体偏薄偏小的情况。厂商提供的晶圆长宽尺寸为1830um,实际量测长宽尺寸减少了20um 左右，而晶圆厚度偏薄4um 左右。

观察不同批次周期的开封视图，发现失效批次的焊锡在晶圆边缘有不同程度的浸出，导致SiO2钝化区域宽度减少。有部分晶圆甚至在划片区就出现了银迁移的现象。根据厂家的工艺调查，该批次的晶片结构发生了改变但焊锡工艺未做调整，因此导致了焊料有不同程度的浸出现象，使焊料中的Ag 与N 型外延层的距离大大减少，在少量湿气的长时间作用下形成了银迁移，进而使反向漏电加大，最终导致PN 结击穿。如图7所示。

图7：平面肖特基结构划片区银迁移现象

3 抗离子迁移的措施

上述的案例说明，肖特基二极管的平面工艺结构本身对离子迁移的形成具有有利的条件，此类器件不适合用于恶劣环境中，尤其是在温、湿度相对差的环境下。但是肖特基二极管相比一般硅二极管具有较低的正向压降和较小的反向恢复时间等良好优点，因此在实际应用中有必要在找到肖特基二极管抗离子迁移的一些措施。

选型上应尽可能使用非平面结构（如沟槽结构、垂直结构）的肖特基管，这类结构的肖特基管焊接点接触面小，使得离子迁移的导体距离增加，降低了银迁移的风险。另外肖特基二极管从封装形式区分有引线和表面安装两种，引线式封装的肖特基二极管，特别是轴向引线式的封装在生产中常有弯脚、阔脚等二次工艺需求，从而导致了引线位置有存在密封不良的风险，而表贴封装则避免了这种隐患。

设计上应当合理地进行热设计，尽可能降低电流密度，以防止热不均匀性和降低晶圆温度，使离子迁移的形成速度大大降低；

材料上应当使用性能更良好的焊料，降低焊料中的银焊料。二元银合金被广泛用来减少银迁移，例如Ag-Pd 焊锡。从许多已建成的相图中可以发现，银和钯表现出完全的固溶度。在纯银中加入钯可以改善焊料的抗浸出性和减少银迁移。

4 结论

肖特基二极管由于其特殊的晶圆结构，为银迁移的发生提供了有利的条件。本文通过阐述失效肖特基二极管的微观分析过程，并讨论了失效机理和失效路径，提供了肖特基二极管平面结构工艺的典型银迁移现象，证实了含银焊料对平面结构肖特基二极管银迁移的形成有一定的风险，提出该类器件不适用于恶劣环境条件的观点，同时提供了抗离子迁移的建议和措施。该案例为分析和预防肖特基二极管的银迁移失效提供了参考。