聚酰亞胺在晶閘管芯片臺面保護上的應用分析

薛志亮

摘 要：本文簡要介紹了晶閘管和聚酰亞胺，對不同廠家聚酰亞胺應用V-I特性進行了比較，詳細敘述了涂覆方法及固化工藝，分析了使用過程中粘附性問題、適應有機溶劑和灌封膠的問題、交流阻斷問題、芯片長期存放穩定性問題、重點分析了產生蠕變的現象和原因，最后提出相應的解決方法。

關鍵詞：晶閘管；聚酰亞胺；蠕變

中圖分類號：TN32 文獻標識碼：A

晶閘管又稱可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR），是一種包括PNPN四層或更多層的半導體開關器件，是弱電控制強電的主要橋梁之一。從20世紀50年代問世以來已經發展成了一個龐大的家族，廣泛應用于工業、民用和航空航天等高科技自動控制領域，隨著半導體技術的全面發展，現今的可控硅器件的額定電流可以從幾毫安到5000A以上，額定電壓可以超過10000V。

高純度高性能聚酰亞胺在集成電路及微電子工業中的應用，包括粒子的遮擋層膜、微電子器件的鈍化層和緩沖內涂層、多層金屬的互聯電路的層間介電材料和多芯片模塊多層互聯基板的介電材料、接點內涂層。

一、晶閘管臺面工藝對保護膠的要求

1.器件在保護后，其耐壓特性不應下降，也不應發生邊沿處的表面放電現象。

2.器件在保護后，表面感應有改善更加穩定，反映在表面漏電流的減小和穩定，尤其在工作結溫下，不應有因保護層而產生的額外的漏電流。

3.保護層本身與硅表面應有良好的粘附性，防潮濕、氣密性以及自身的化學穩定性、耐高溫的特性。

二、晶閘管制造中幾種常用的有機保護材料

1.硅橡膠。它是晶閘管制造廠家一種普遍使用的保護材料，室溫下呈膠狀物，固化后保持彈性體。

2.硅漆。以937聚酯改性硅漆（SP）為代表，是早期晶閘管等半導體器件使用的表面保護材料，該品經固化后曾透明狀硬化體，其溶劑為二甲苯，對人體有毒。另因其穩定性較差，已很少采用。

3.聚酯亞胺。具有良好的機械電氣性能，固化后呈硬質玻璃體，毒性小，但有強烈刺激性氣味，是一種較廣泛使用的保護材料。

4.聚酰亞胺。因其優異的機械、電氣、耐高溫、無毒、化學穩定性高等特性，成為最有發展前途的保護材料，固化后呈硬質玻璃體。因其固化條件較為苛刻，目前使用廠家較少。

三、聚酰亞胺涂層膠的選擇

市場上滿足晶閘管芯片表面保護要求的聚酰亞胺種類很多，我們選擇有代表性的幾種產品進行比較，見表1。

需要說明的是各廠家提供的產品其性能千差萬別，同一種聚酰亞胺對不同規格、不同處理方法的晶閘管斜邊所體現出來的性能也會存在差異，對聚酰亞胺的選擇要看實際達到的水平來確定。

四、涂覆厚度和方法

涂覆于晶閘管斜邊上的聚酰亞胺薄膜的厚度，決定于晶閘管耐壓的要求。標準型聚酰亞胺涂層膠有著極高的介電強度：≥250V/μm，極薄的膜厚就能承受很高的電壓，這點遠高于其他保護膠：例如對于2000V的芯片來說，固化后膜厚達到8μm就夠了。（而達到同等耐壓，GD406需要135μm，聚酯亞胺也需要90μm。

對于晶閘管斜邊保護來講，由于需要涂覆的表面是個傾斜向下的斜面，就不同于平面涂覆條件，但仍然采用可調速電機帶動管芯旋轉，利用壓力分配器擠出注射器內的涂層膠，連續在斜面開始部位逐圈涂覆，涂后取下置于水平平板上，聚酰亞胺膠會自流形成薄膜，轉速一般選擇5～10轉/分鐘。

五、聚酰亞胺膠的固化

與一般硅橡膠類保護材料相比，聚酰亞胺的固化溫度要求較高，標準型聚酰亞胺廠家推薦的最高固化溫度有所不同，在220℃～250℃之間。固化氣氛可采用真空、充氮及正常大氣條件下固化。通常采取階梯升溫固化。升溫速率取100℃/小時，防止出現氣泡，若真空條件下，起始階段去除溶劑過程中真空度不要太高，否則容易起泡。真空和氮氣條件主要目的是防止基底材料的氧化，對聚酰亞胺本身固化的影響尚無明確說明。固化曲線參見說明書。

六、聚酰亞胺的去除

1.對于未固化的聚酰亞胺，采用甲醇或乙醇棉球擦去。

2.對于已經固化的聚酰亞胺，則需要濃硫酸浸泡或借助超聲波加快其溶解速度。

3.比例為20%～30%熱的NaOH溶液溶除，同樣借助于超聲波會加快溶解速度。

七、應用中的問題解析

1.粘附性差的問題

在涂膠過程中，我們發現，膠膜會縮聚成滴，粘度越低，粘附性越差，這是因為聚酰亞胺其分子具有電子極化性和結晶性，導致其粘結性能并不理想。

通過試驗，我們找到了解決其粘附性的辦法：一方面對腐蝕清洗后管芯進行高溫烘烤以保證斜邊硅單晶表面保持干燥形成疏水表面，有條件的單位可進行無機膜如SiO2、多晶硅鈍化可增進粘附性；另一方面適當增加涂層的厚度，涂覆后盡快放入烘箱中短時間低溫烘烤；還有一種方法就是在純凈的聚酰亞胺中按比例摻入硅橡膠，可明顯增強粘附性。

2.適應有機溶劑及灌封膠的問題

（a）晶閘管芯片在封裝過程中，需要進行表面處理，以清除粘附在表面的灰塵、氧化層及其他有害污染物。有些保護材料一經有機溶劑侵蝕就會產生膨脹、溶解、甚至發生化學變化，使管芯V-I特性急劇惡化，甚至失去作用。SP膠、GD406硅橡膠能耐乙醇溶劑，但不耐丙酮、甲苯、三氯乙烯。聚酯亞胺和聚酰亞胺則能耐乙醇、丙酮、甲苯、三氯乙烯等多種溶劑。

將聚酰亞胺保護的管芯置于上述溶劑中浸泡，24h后取出，聚酰亞胺無任何表象的變化，測試其V-I特性也沒有任何影響，足以見得該涂層膠對有機溶劑的超強忍耐力。

（b）聚酰亞胺適應灌封膠的情況

灌封就是將液態灌封膠用機械或手工方式灌入裝有晶閘管芯片及部分線路的管殼、配套件內，在常溫或加熱條件下固化，起到防潮、防震、絕緣等作用。斜邊保護層必須適應于灌封材料，在灌封后不產生任何不利于性能穩定的物理化學變化。大量試驗驗證，并經用戶廣泛使用，采用聚酰亞胺保護的晶閘管芯片，對市場上應用的常用灌封膠，如：有機硅凝膠、單組份硅橡膠、雙組份硅橡膠、環氧樹脂、道康寧有機硅膠均無不良反應。

3.高溫交流阻斷特性

采用聚酰亞胺涂層膠，非常理想地解決了SP膠及硅橡膠交流阻斷通不過的問題，對芯片進行長期試驗，波形極為平穩，充分證明其高溫穩定性良好。

4.采用聚酰亞胺保護，漏電流同存放時間的關系

我們對聚酰亞胺保護的芯片，無任何保護措施條件下存放于普通室內，進行連續1年的跟蹤，包括測試儀表的誤差，其高溫漏電流變化在5%以內，常溫漏電流變化在±0.01mA之間。其穩定性是其他保護材料無法企及的。

5.V-I特性蠕變的問題

本文所說的蠕變現象是指常溫下加電壓后起始或者幾百V后漏電流明顯增加，曲線前端出現翹起，且漏電流隨著電壓增加而增加的現象。

蠕變產生的機理：

（1）表面處理不到位，存在大量可移動電荷如K+，Na+，這種情況下V-I特性隨著測試時間的增加，擊穿電壓逐漸減小，甚至會出現擊穿回線。

（2）聚酰亞胺固化不徹底：有資料顯示，通常在300℃熱處理后其亞胺化率（環化率）應在90%以上，但仍有部分沒有亞胺化，沒有亞胺化的高分子會有部分自由基團，在電場作用下釋放電荷參與導電，逐步提高固化溫度，亞胺化率也逐步提高，完全亞胺化則需要370℃～390℃。

（3）可移動電荷的熱電效應：芯片斜邊上總會吸附著某些能夠導電的物質，甚至保護膠自身在使用過程中也會受到污染，比如攪拌、分裝、涂覆，其中引入有可移動電荷，這些電荷在外界環境沒有達到某一條件時處于惰性，被束縛著，但在高溫及電場作用下則被激活，形成定向移動的表面漏電流。

蠕變問題的解決方法：

（1）調加強表面腐蝕清洗，避免沾污，這一點是基礎。

（2）改變固化條件，提高固化最高溫度，增加固化時間。

（3）進行工藝篩選，這是確保管芯出廠性能正常的措施。

結語

聚酰亞胺（PI）作為晶閘管芯片表面鈍化層和緩沖保護層，以其優異的性能代替硅橡膠、SP硅漆等傳統保護材料，可以有效阻滯電子遷移，防止腐蝕，能夠承受很高的電場強度并具有很低的漏電流，提高了元件適應各種環境及灌封材料的能力，使用可靠性及壽命大幅提高，必將愈來愈受到廣泛地重視。

參考文獻

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