功率半導(dǎo)體晶元浪涌擊穿的分析與研究

0   引言

作為一種功率元器件，整流橋采用一體化封裝，且組裝簡單，廣泛應(yīng)用于各種電源設(shè)備。其內(nèi)部主要是由4 個二極管組成的橋路來實現(xiàn)把輸入的交流電壓轉(zhuǎn)化為輸出的直流電壓。整流橋內(nèi)部是由4 個整流二極管晶元組成的1 個橋堆，在模擬電路中應(yīng)用非常廣泛，主要應(yīng)用在直流電源、測量、極性選擇等實際電路中。整流橋失效后，會出現(xiàn)電源電路不通電，直接導(dǎo)致電器不能使用，本文對整流橋浪涌擊穿失效展開分析研究。

1   事件背景

整流橋在實際應(yīng)運(yùn)中出現(xiàn)浪涌失效，測試整流橋內(nèi)部不同位置二極管晶元均有失效，晶元位置失效不集中，產(chǎn)線生產(chǎn)批次集中。故障測試為內(nèi)部單個不同晶元擊穿短路，表象為浪涌擊穿。在直流電源電路中，整流分為單相橋式整流和三相橋式整流兩類。在電源電路中，整流橋應(yīng)用非常廣泛，此時該橋式電路主要起整流作用，即使交流電源轉(zhuǎn)換為脈動直流電源。工作原理：在整流橋的每個工作周期內(nèi)，同一時間只有2 個二極管工作，通過二極管的單向?qū)üδ?，把交流電轉(zhuǎn)換成單向的直流脈動電壓。該整流橋采用塑料封裝結(jié)構(gòu)（大多數(shù)小功率整流橋都是采用該封裝形式）。橋內(nèi)的4 個主要發(fā)熱元器件二極管被分成兩組分別放置在直流輸出的引腳銅板上。直流輸出引腳銅板間有兩塊連接銅板，分別與輸入引腳（交流輸入導(dǎo)線）相連，形成外觀上有4 個對外連接引腳的整流橋。由于該系列整流橋都是采用塑料封裝結(jié)構(gòu)，在上述二極管、引腳銅板、連接銅板以及連接導(dǎo)線的周圍充滿了作為絕緣、導(dǎo)熱的骨架填充物質(zhì)的環(huán)氧樹脂。

2   失效原因及失效機(jī)理分析

2.1 整流橋外觀形貌查看

對故障整流橋外觀放大鏡檢查，未看到破損以及燒的現(xiàn)象，引腳無開裂、打火異常，樹脂封裝完好。

2.2 整流橋電參數(shù)測試分析

整流橋二極管晶元短路失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計，整流橋內(nèi)部4 個二極管失效數(shù)量排序不集中，內(nèi)部原理如圖1 所示。使用晶體管圖示儀測試樣品各引腳間的V-I 特性曲線，并與正常品進(jìn)行對比。異常品的部分引腳間呈現(xiàn)短路現(xiàn)象，正常品引腳間特性均符合二極管特性。測試曲線如圖2 所示：

圖1 內(nèi)部原理圖及特性曲線

圖2 晶元X光透視

2.3 整流橋X光透射分析

對短路位置二極管晶元進(jìn)行正面透射，見圖2，分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)部晶片邊緣有異常陰影。檢查發(fā)現(xiàn)燒損點具有一致性，集中于金屬連接橋與二極管晶片交界處。

2.4 開封內(nèi)部晶元分析

對失效整流橋進(jìn)行開封解析，除去黑膠顯示內(nèi)部晶元夾片有燒傷痕跡。開封結(jié)果顯示樣品短路引腳所對應(yīng)的晶元有明顯電損傷痕跡，可判定整流橋短路為電擊穿晶元所致。開封未發(fā)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)異常，小部分失效在晶元邊緣以外，其余大部分均為晶元下方，有浪涌痕跡（如圖3）。

圖3 晶元開封形貌

2.5 晶元焊接面金相分析

如圖4 所示，對失效晶元X 光側(cè)面檢查，晶元邊緣與底部支架焊接處有異常陰影，對異常陰影進(jìn)行金相研磨，放大鏡檢查明顯為焊接時殘留的錫珠。將不良品切割后，剩余部分可以從側(cè)面做X-ray 檢查二極管晶片，結(jié)果顯示燒損點框架到上層金屬橋之間有黑影（即金屬材料）。做金相切割觀察二極管晶片的失效點，研磨后發(fā)現(xiàn)晶圓側(cè)面的材料（燒損點）顏色與頂層材料顏色一致，由此斷定引起短路的材料與焊料相同，均為錫膏。

圖4 側(cè)面剖析外貌

對故障件進(jìn)行分析，確認(rèn)失效原因為晶元在點膠焊接后，部分錫膏在焊接熔化過程中未能與晶粒上的整體錫膏熔融在一起而形成較小錫珠，此類焊接形成的錫珠無法避免，為行業(yè)普遍問題。由于循環(huán)泵故障導(dǎo)致清洗站清洗溶液比重下降，從而造成溶劑清洗不干凈。由于清洗溶液比重無SPC 管理，未超規(guī)格但有明顯下降時無法及時發(fā)現(xiàn)。在焊接上下層的金屬連接橋時產(chǎn)生錫珠，導(dǎo)致二極管晶元的邊沿爬電距離偏小，應(yīng)用過程中電源出現(xiàn)輕微浪涌電壓時將該位置擊穿造成短路。

3   失效因素排查分析

對生產(chǎn)過程可能導(dǎo)致因素制作因果排查圖（見圖5），全流程分析排查失效故障點，分析確認(rèn)失效因素為清洗環(huán)節(jié)異常導(dǎo)致。

圖5 失效因果分析圖

焊接過程流程如圖6 所示，焊接過程中晶元上下焊接均要點膠，焊接后均會產(chǎn)生錫珠，清洗環(huán)節(jié)尤為重要。以下主要針對清洗環(huán)節(jié)進(jìn)行排查分析。

圖6 焊接流程圖

3.1 氣壓式點膠頭排查

采用氣壓式點膠頭將錫膏附著在支架上，根據(jù)“自動焊接時間/ 壓力設(shè)定表”調(diào)整點膠大小。將實際參數(shù)記錄在核對表中，IPQC 每班檢查參數(shù)是否符合規(guī)格，如有超規(guī)則立扣留單，并進(jìn)行追溯，確認(rèn)此環(huán)節(jié)無異常。

3.2 清洗制程排查

查看所有故障批次經(jīng)過清洗制程，未發(fā)現(xiàn)漏清洗的現(xiàn)象。IPQC 每班要測量1 次清洗溶液比重，規(guī)格>1.15，故障批次未發(fā)現(xiàn)比重超規(guī)記錄，但是發(fā)現(xiàn)6/2早班～ 6/3 早班的比重數(shù)據(jù)有波動。說明：焊油的主要成分是松香，比重1.06 ～ 1.085，而清洗液原溶液比重為1.32，溶液中松香比例升高會導(dǎo)致溶液比重下降。將2019 全年度的比重記錄全部對比發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)除了6/2 ～ 6/3 以外，其余的比重記錄都在1.25 ～ 1.31 的范圍。

3.3 故障模擬驗證

為了明確比重的差異是否會造成實際材料失效，制定驗證實驗（表1）。從該驗證實驗來看，故障批次生產(chǎn)期間比重差異分析為本次失效的主要原因。

表1 不同比重配比溶液

由于比重值沒有超規(guī)格，因此不會開具異常處理單。根據(jù)模擬實驗結(jié)果，材料表面未發(fā)現(xiàn)異常，因此當(dāng)時未能偵測到。搜索清洗站所有制程記錄，各項設(shè)定都在規(guī)格內(nèi)，也無機(jī)故記錄，但在6 月3 日曾做過清洗線季度保養(yǎng)。保養(yǎng)時要求對各部位查看工作是否正常，實際比對備品領(lǐng)料記錄，故障批次生產(chǎn)當(dāng)天領(lǐng)用過磁力泵。與設(shè)備維護(hù)人員確認(rèn)，保養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)磁力泵不工作，因此更換備品。

3.4 循環(huán)泵故障排查

磁力泵即循環(huán)泵，主要起到循環(huán)過濾清洗液的作用，清洗過程如圖7 所示。當(dāng)泵異常時，會導(dǎo)致槽內(nèi)溶液循環(huán)不良，第三槽溶解在清洗液中的焊油等污物不斷積累，得不到循環(huán)，導(dǎo)致溶液比重出現(xiàn)波動，無法達(dá)到預(yù)期的清洗效果。由于循環(huán)泵故障只是通過溶液比重識別，沒有可以快速偵測故障的機(jī)制。

圖7 清洗作業(yè)流程示意圖

3.5 模擬驗證故障品分析

模擬驗證，當(dāng)比重低于規(guī)格值時，經(jīng)過96 h失效1顆，剩余材料繼續(xù)168 h 無失效。對失效品取樣分析，見圖8，去黑膠后材料表面未發(fā)現(xiàn)異常，失效模式為晶元下方有浪涌痕跡，與售后失效品結(jié)果相同。

圖8 失效故障件開封分析

分析總計：通過以上調(diào)查分析，本次故障產(chǎn)生因素主要是以下3 點：

①清洗溶液監(jiān)控異常，循環(huán)泵故障導(dǎo)致清洗站清洗溶液比重下降，從而造成溶劑清洗不干凈；

②循環(huán)泵故障只是通過溶液比重識別，沒有可以快速偵測故障的機(jī)制；

③比重?zé)oSPC 管理，未超規(guī)格但有明顯下降時無法及時發(fā)現(xiàn)。

4   失效解決方案

故障批次不良品集中問題，樣品做X-ray 檢查均發(fā)現(xiàn)晶圓表上有損傷，且短路晶圓位置分布集中，確定為出現(xiàn)焊料殘留，經(jīng)模擬是生產(chǎn)期間清洗溶液比重控制失效造成。針對此故障失效，通過對生產(chǎn)各環(huán)節(jié)制定整改措施，驗證整改效果無異常。

1）更調(diào)整清洗溶液比重

重新制定清洗站溶液比重規(guī)格，由1.15 調(diào)整為1.24，當(dāng)循環(huán)泵失效時，在1 天之內(nèi)即可發(fā)現(xiàn)異常，修改《清洗站檢驗規(guī)范》，比重規(guī)格：≥ 1.15，之后：≥ 1.24；

2）增加監(jiān)控報警設(shè)備

清洗站增加循環(huán)泵運(yùn)行監(jiān)控器，以便在生產(chǎn)中快速偵察到清洗溶液循環(huán)異常，有異常時會警報。同時加裝了循環(huán)在線監(jiān)測部件監(jiān)測流速，檢測到循環(huán)不良時能夠及時報警，在生產(chǎn)中快速偵察到溶液循環(huán)異常。循環(huán)異常時，有警報及故障信息提示。

3）完善設(shè)備管理

清洗站循環(huán)泵及影響到溶液比重的部件維修或更換后，必須通知IPQC 檢查確認(rèn)，維修無異常確認(rèn)通過后才可開始生產(chǎn)。

4）增加SPC 管控系統(tǒng)

清洗站溶液比重導(dǎo)入SPC 管控系統(tǒng)，連續(xù)上升或下降時能夠自動警報，及時發(fā)現(xiàn)過程不良。

5）增加CCD 檢測

在晶元焊接后，增加側(cè)面CDD 檢測識別，發(fā)現(xiàn)錫珠大于晶元厚度1/3 判定為不良品，直接報廢處理。

5   失效整改總結(jié)及意義

確認(rèn)晶元浪涌失效為產(chǎn)品焊接后清洗不良導(dǎo)致，通過調(diào)整比重，增加清洗溶劑流量檢測、側(cè)面CCD 視覺檢測，能有效監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)節(jié)不良，及時篩選出不良品，減少因清洗不良導(dǎo)致的失效。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）