GaN功率器件可靠性如何测试？芯片推力、键合线拉力及推拉力测试方法解析

近年来，GaN（氮化镓）在快充、服务器电源、数据中心以及通信电源等领域越来越常见。大家关注GaN，往往先想到高频、高效率和高功率密度，但一颗GaN器件真正要长期稳定工作，光看芯片性能还不够，封装同样要经得住考验。

比如，GaN芯片贴装得牢不牢？键合线会不会脱开？倒装芯片底部互连强度怎么样？经过高温、温度循环等可靠性试验后，连接强度有没有下降？这些问题都可能影响产品性能。

本文科准测控小编就基于Alpha-W260自动推拉力测试机，从实际GaN器件封装结构出发，带大家看看GaN功率器件到底有哪些机械连接需要关注，以及GaN芯片推力、键合线拉力、倒装互连剪切和高温推拉力测试具体是怎么做的。

一、GaN是什么？常见GaN功率器件有哪些？

GaN全称Gallium Nitride，即氮化镓，是一种宽禁带半导体材料。

GaN材料具有较高的击穿电场，并具备适合高频、高速开关应用的材料与器件特性，因此成为功率电子领域的重要技术路线之一。

目前功率电子领域比较典型的是GaN HEMT（氮化镓高电子迁移率晶体管）。GaN功率器件可用于快充适配器、消费电子电源、服务器及数据中心电源、通信电源等应用。

二、GaN功率器件有哪些机械连接结构？

1、GaN芯片贴装连接

对于采用独立Die Attach结构的GaN器件，芯片需要通过相应连接材料安装在引线框架、基板或其他封装载体上，具体贴装材料和工艺取决于实际产品。

如果贴装工艺或连接界面存在异常，可能造成结合强度下降，并表现为材料内部破坏、界面分离或芯片脱离等失效。

2、Wire Bond键合连接

部分GaN器件采用Wire Bond进行内部互连，通过金线、铜线或其他键合结构连接芯片焊盘与封装端子/基板。

这类结构不仅需要关注键合线本身的机械强度，还需要关注第一、第二键合区域的连接质量。

3、倒装GaN底部互连

部分GaN功率器件采用Flip Chip等低寄生封装结构，芯片通过底部互连直接与封装载体连接。

这类结构与传统Wire Bond GaN不同，机械可靠性测试需要更多关注芯片底部互连、焊接界面以及整体连接强度，不能直接套用Wire Pull测试方案。

4、封装与PCB之间的连接

GaN功率器件最终还需要安装到PCB等载体上，根据具体封装形式形成相应的板级焊接连接。

三、如何用推拉力测试验证GaN封装可靠性？

1、GaN芯片推力测试——Die Shear芯片剪切

对于采用Die Attach结构的GaN器件，可以通过Die Shear芯片剪切测试评价GaN芯片与贴装层、封装载体之间的机械结合状态。

测试时，将GaN样品或相应封装半成品固定在推拉力测试机平台上，通过显微系统找到目标芯片，并根据芯片尺寸选择对应推刀。

推刀移动至芯片侧面，在规定测试高度沿平行于贴装面的方向加载，直至芯片或连接区域发生失效。

测试过程中记录最大剪切力 + 力—位移曲线 + 测试位置 + 失效模式。

测试结束后还需要观察芯片、贴装材料及基板表面的残留状态，进一步判断破坏发生在材料内部还是连接界面。

2、GaN键合线可靠性——Wire Pull拉力测试

对于采用Wire Bond结构的GaN功率器件，可以进行Wire Pull键合线拉力测试。

测试时，通过显微系统定位目标键合线，将相应拉钩移动至线弧下方，在规定位置向上加载，直至键合线或键合区域发生失效。

推拉力测试机记录最大拉力。

测试完成后还需要分析具体断裂位置，例如键合线本体断裂；第一键合区域失效；第二键合区域失效；焊盘相关破坏。

3、倒装GaN——芯片及底部互连剪切测试

对于采用Flip Chip结构的GaN器件，由于芯片不再依赖传统顶部键合线完成主要互连，因此测试重点也会发生变化。

根据实际样品结构，可以通过相应推刀对芯片或可测试的底部互连结构施加剪切载荷，评价芯片整体连接及相关界面的机械强度。

这类测试尤其需要注意推刀尺寸、加载位置、剪切高度以及周围封装结构是否会发生干涉。

由于不同GaN倒装封装的底部结构差异较大，实际测试方法应根据样品结构及适用规范确定，而不能使用统一参数。

4、GaN焊点连接——推力/剪切测试

针对GaN器件与PCB或其他载体之间形成的焊接连接，可以根据具体封装结构开展相应的焊点推力或剪切测试。

测试时，将样品稳定固定，通过显微观察定位目标区域，再使用相应测试工具施加载荷，直至连接区域发生破坏。

测试完成后除了记录最大力和力—位移曲线，还应观察是否出现焊料内部破坏、界面分离、焊盘剥离等失效模式。

通过机械加载可以进一步评价GaN器件板级互连的连接强度。

5、高温及可靠性试验前后——推拉力对比测试

GaN器件常应用于高功率密度、高频开关场景，因此除了常温机械强度，还可以根据产品验证要求，在高温存储、温度循环等可靠性试验前后进行推拉力对比。

通过比较试验前后的最大力值、力—位移曲线和失效模式，可以分析环境应力是否造成芯片贴装或键合连接机械性能退化。

如果需要直接评价特定温度状态下的连接强度，还可根据测试要求配置相应的加热平台及高温测试工装，在样品温度稳定后进行推拉力测试。

四、GaN推拉力测试参考哪些标准？

GaN器件机械强度测试可根据具体项目参考：

1、MIL-STD-883 Method 2019——Die Shear

主要涉及半导体芯片粘接强度测试，可用于GaN芯片贴装机械强度评价的方法参考。

2、MIL-STD-883 Method 2011——Bond Strength

涉及键合连接机械强度测试，可为采用Wire Bond结构的GaN器件键合线拉力测试提供方法参考。

3、JEDEC JESD22-B117——Solder Ball Shear

针对适用的焊球/凸点结构，可根据具体封装形式参考相关剪切测试要求。

以上就是科准测控小编为您介绍的GaN功率器件、GaN封装机械连接结构以及GaN推拉力测试方法。科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据GaN芯片、键合线及微小互连结构匹配相应传感器、推刀、拉钩及测试夹具，并通过显微观察和精密运动定位完成相应机械强度测试。

如果您还有关于GaN推拉力测试、GaN芯片推力测试、GaN HEMT可靠性测试、GaN Die Shear、GaN Wire Pull、高温推拉力测试或自动推拉力测试机选型等方面的疑问和测试需求，欢迎联系科准测控，获取免费的技术支持及测试方案。

（部分图源网络，仅作交流展示）