金属封装功率器件管壳镀金层腐蚀机理研究

作者： 李寿全 （北京新能源汽车技术创新中心有限公司）

摘要：

金属封装形式的氧化物半导体场效应晶体管（ VDMOS ）， 在经历筛选试验后，管壳表面的金属层出现了腐蚀形貌， 通过显微镜观察、 扫描电镜、 EDS 能谱分析和切片镜检等方法，对腐蚀样品进行了分析， 确定了失效原因，并详细地阐述了腐蚀发生的机理。

0 引言

垂直对扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（ VDMOS ） 因其具有开关速度快、 高频特性好、 高输入阻抗、 低驱动电流和驱动电路简单等特性，作为核心电子元器件，被广泛地应用于汽车电子、家电、 通信和航空航天等领域[1-4] 。 针对VDMOS器件的失效分析，国内外已经做了大量的研究工作[5-9] ， 但该类研究主要都是从芯片工艺、封装工艺、 结构缺陷和试验应力等方面进行分析，对于在目检环节发生失效， 即管壳表面存在腐蚀形貌的相关分析很少，而该类失效发生后， 一般是大批量的甚至是批次性的问题，因此对其失效机理进行研究， 找出导致其发生失效的原因，预防其发生失效具有重要的意义。 本文通过对筛选试验后管壳表面发生腐蚀的 VDMOS 器件进行失效分析， 确定了其失效原因，并详细地阐述了腐蚀发生的相关机理。

1 样品与试验

1.1 样品

用于分析的 VDMOS 器件为金属管壳封装，封装用的管壳形式为 TO-254AA 型， 管壳的具体示意图如图 1 所示。

1.2 分析试验

针对筛选试验后管壳表面发生腐蚀的器件进行了外观目检、 SEM 电镜观察、 EDS 能谱分析、 擦除验证、 腐蚀点切片观察和器件用同批次管壳追溯等相关分析，具体的分析方法如下所述。

a ）外观目检

选取 1 只失效器件利用光学显微镜（ OM ） 进行外部检验， 观察器件的外观形貌。

b ） SEM 电镜观察

选取腐蚀形貌样品在 SEM 下进行观察， 对腐蚀形貌进一步地观察分析。

c ） EDS 能谱分析

通过 EDS 能谱分析对腐蚀区域进行化学元素成分的测定。

d ）擦除验证

对腐蚀形貌利用酒精进行擦除，确定腐蚀是否只存在于表面， 进一步地验证腐蚀产生的机理。

e ）腐蚀点切片观察

通过对腐蚀点进行纵向切片制样，纵向查看整个管壳的镀层结构。

f ）管壳追溯排查

发生失效的器件采用 TO-254AA 管壳封装，为了确定初始管壳的镀金层质量，对器件用的同批次管壳进行排查， 观察分析管壳金层质量是否存在缺陷。

通过上述相关的分析试验逐步地确认失效原因、剖析失效机理， 具体的流程图如图 2 所示。

2 结果与讨论

2.1 外部目检

选取 3 只器件 （ 1 #～3 # ） 进行 OM 拍照，通过形貌观察， 腐蚀主要发生在管壳外侧面，典型的形貌图如图 3-4 所示， 由图 3-4 可知， 管壳侧面存在黑色点状物和白色斑状物。

2.2 SEM

选取上述 1 # 、 2 # 器件， 针对其异常部位进行了 SEM 观察， 典型的形貌如图 5 所示。 其中，图 5a- 图 5b 中包含的两张照片均为同一个腐蚀点的照片，在 SEM 下采用不同的成像模式， 前一个均为二次电子成像，主要用来观察标本表面的晶相图， 后一个均为背向散射电子成像， 背向散射电子对标本的构成比较敏感，该图像适合观察成分差异， 由图可知，发白区域为镀金层， 发黑部位的成分需进一步地分析确认。

2.3 EDS 能谱分析

针对 SEM 照片不同颜色的区域进行了 EDS 能谱分析， 结果如图 6 所示， SEM 照片中发黑部位所含的元素为 Fe 、 Ni 、 S 、 Cl 、 O ， 即镀金层已经被腐蚀， 主要材料为管壳边框基材铁镍合金；发白部位所含的元素主要为 Au 、 Ni 、 O ， 主要占比为Au 元素；介于两种颜色之间的部位所含的元素为Au 、 Fe 、 Ni 、 S 、 Cl 、 O 。 由此可知， 白斑部位为管壳镀金层被腐蚀区域，该区域已出现下层管壳基材元素， 即 Fe 、 Ni 元素。

2.4 擦除验证

采用酒精棉签擦除方式对 3 # 器件进行了验证。擦除前， 3 # 器件的白斑肉眼可见， 利用酒精棉签擦除后，肉眼下腐蚀点消失， 在光学显微镜下对其进行观察，结果如图 7 所示， 从图 7 中可以看出在光学显微镜下也未见异常。

对擦除后的 3 # 器件进行了 SEM 观察， 放大倍数为 46 倍的 SEM 形貌如图 8 所示。 由图 8 可知，管壳表面依然存在异常区域， 只是在该放大倍数下异常现象不显著。

对上述存在异常的点在约 500 倍的放大倍数下进行观察，具体的形貌如图 9 所示。 由图 9 可知，存在明显的异常，依然存在腐蚀形貌， 同样露出下层管壳基材材料，可见光学显微镜下很难观察到这些细小的岛状分布的腐蚀颗粒。

综合上述分析可知，器件表面的异常点为管壳镀金层被腐蚀后所形成的， 并且已经露出了管壳基材材料。

2.5 腐蚀点切片镜检

选取了 2 # 对腐蚀点进行了切片镜检，查看腐蚀点纵向结构， 具体的结果如图 10 所示。 由图 10可知，腐蚀点部位的金层已经消失， 露出了底层材料，与之前 SEM 形貌结果一致。

2.6 管壳排查

随机抽取了 3 只同批次库存管壳，对管壳外边框位置进行 SEM 观察， 其中， 1 只管壳边框位置发现镀金层质量不佳，即存在大量的片状的微孔，具体的形貌图如图11 所示。 由图 11 可知， 该形貌与腐蚀点用酒精棉签擦除后的形貌基本一致， 腐蚀点擦除后的 SEM 形貌如图 9 所示， 由此可知， 初始管壳就存在镀金层质量不佳的情况。

2.7 机理分析

镀金层本身是不会发生腐蚀的，镀金件的腐蚀其实是因镀金层受到成本和机械性能限制， 厚度低于 2.5 μm ， 存在孔隙 （上述电镜分析证实了这一现象），底层或中间层在潮湿等情况下发生电化学腐蚀， 形成腐蚀物扩散到镀金层表面而造成的。

薄的镀金样品通常存在微孔，即使在相当温和的环境下， 微孔中也会产生腐蚀产物并扩散至周围的金表面。

针对金层腐蚀机理，林雪燕等有如下论述[10] ：当镀金表面的微孔区域吸附有水膜时， 空气中的腐蚀性气体，如 Cl 2 、 SO 2 、 H 2 S 等将溶解在水膜中而形成电解液，如图 12a 所示； 电解液由微孔的毛细孔作用进入微孔底部并和具有较低电极电位的 Ni发生反应， 这样在微孔中就形成一个原电池腐蚀过程而产生腐蚀物 （主要为氯化物、硫酸物等）。 腐蚀反应继续发生直至电解液已经饱和，由于腐蚀产物的体积远大于金属失去的体积， 所以腐蚀物就沿着微孔蔓延至镀金层表面并堆积在微孔区域附近，如图 12b 所示； 随着腐蚀时间的继续，当另一个水分子沉积在同一位置， 它将渗透至微孔中使原电池腐蚀重新开始， 更重要的是它将作为一次“潮水”推动腐蚀物远离微孔区域而停留在水分子的边缘，如图 12c 所示； 然后电解液在空气中蒸发， 而使腐蚀物以聚集的岛状晶体停留在原先被推至的位置，形成一个远离核的腐蚀圈，如图 12d 所示。

当一个更小的水滴又停留在相同的位置时，将再一次作为潮水推动腐蚀物离开微孔位置。 当它蒸发后， 由于第一次的腐蚀物的停留位置的阻挡作用，此次腐蚀物停留位置更靠近腐蚀核， 因此将形成内腐蚀圈， 当然， 在外腐蚀圈和内腐蚀圈之间的区域也会分布着腐蚀产物的沉淀物。

3 结束语

镀金层表面质量不佳，在长期的试验应力、 大气环境暴露下发生了腐蚀，针对该类情况， 需从以下 3 个方面考虑如何改善该问题： 1 ） 改进电镀工艺， 保证金层镀金质量； 2 ） 管壳检验环节抽样进行管壳外表面的 SEM 观察， 初步判断批次管壳镀金层质量； 3 ） 加强器件的防护， 保证管壳处于良好的状态。