空調(diào)電路板使用穩(wěn)壓塊失效分析與研究

摘要：本文主要論述了電路板弱電電源部分核心元件穩(wěn)壓塊在生產(chǎn)、裝配和使用過程中于設(shè)計(jì)、晶圓加工、封裝、過程應(yīng)力、過電損傷等環(huán)境下的損傷機(jī)理及防護(hù)措施。常見的穩(wěn)壓塊為三端穩(wěn)壓塊，作用是將電壓進(jìn)行降壓處理，并將電壓穩(wěn)定在某一固定值后輸出。

引言

　　穩(wěn)壓塊常見的為三端穩(wěn)壓塊，作用是將電壓進(jìn)行降壓處理，并將電壓穩(wěn)定在某一固定值后輸出。穩(wěn)壓塊常用的有正壓輸出和負(fù)壓輸出兩種類型，正壓穩(wěn)壓塊大多以78**命名，負(fù)壓穩(wěn)壓塊大多以79**命名。命名的后兩位為其輸出電壓值，空調(diào)主板使用的穩(wěn)壓塊基本為正壓輸出的78**系列穩(wěn)壓塊。

　　穩(wěn)壓塊是電路板電源部分核心器件，其性能和工作狀態(tài)直接關(guān)系到主板是否可以正常工作。穩(wěn)壓塊的主要性能是為主板提供穩(wěn)定的電源，并根據(jù)主板工作情況提供合適的保護(hù)。如：過載保護(hù)、過熱保護(hù)等。穩(wěn)壓塊由于其關(guān)鍵的性能及重要的作用，導(dǎo)致如果穩(wěn)壓塊失效，就會(huì)引起主板功能癱瘓。本文對(duì)穩(wěn)壓塊的失效原因及防治措施進(jìn)行了分析和探討。

1 穩(wěn)壓塊的晶圓制作問題

　　穩(wěn)壓塊是一種運(yùn)用成熟的半導(dǎo)體元件，但其晶圓加工過程會(huì)有較為隱蔽的問題出現(xiàn)。穩(wěn)壓塊的晶圓加工和PCB板的加工很類似，需要曝光顯影，但其精度非常高，微小到納米級(jí)別。在這種加工精度下若出現(xiàn)極其微小的污染源或曝光強(qiáng)度偏差，就會(huì)造成晶圓失效。晶圓失效一般是測試可控的，之所以有晶圓失效而無法測試出來的情況，是因?yàn)榉庋b前的晶圓測試會(huì)比封裝后的性能測試復(fù)雜得多，其中最主要的原因是晶圓測試的測試點(diǎn)過多。為了保證測試效率，晶圓測試過程往往會(huì)選擇性地測試一部分關(guān)鍵性能，忽略一些隱性性能，導(dǎo)致一些隱性問題流出。

1.1 故障舉例

　　如圖1、圖2和圖3所示。該故障是一個(gè)穩(wěn)壓塊的批量問題，故障表現(xiàn)為穩(wěn)壓塊常溫下工作正常，在高溫35℃以上表現(xiàn)為高溫保護(hù)無輸出，但35℃并未達(dá)到保護(hù)溫度。經(jīng)過多方面分析，最終鎖定為穩(wěn)壓塊溫度保護(hù)電路中一個(gè)齊納二極管參數(shù)異常導(dǎo)致該故障，使用聚焦離子束將齊納二極管(如圖1和圖2所示)從晶圓上剪切下來，并使用微探針測試其特性，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)通電壓達(dá)到了9V(如圖3所示)，而正常品為6.8V，其參數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)大于要求值，其保護(hù)電壓也會(huì)受到影響。

　　對(duì)結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析，將切割下的齊納二極管與正常品對(duì)比，發(fā)現(xiàn)故障品齊納二極管的氧化層與硅襯底之間的厚度偏大。正常品厚度為1.3nm(如圖4a)，故障品則有26.4nm(如圖4b)。

　　針對(duì)該問題，廠家在晶圓測試過程中未測試出的原因?yàn)椋涸摱O管連接在電路中，需要采用5點(diǎn)測試法才能確定其性能，而5點(diǎn)測試耗時(shí)較多，廠家就采取了3點(diǎn)測試法，無法準(zhǔn)確測試出其導(dǎo)通值，導(dǎo)致測試疏漏，進(jìn)而將功能失常的產(chǎn)品流出，而廠家在封裝后測試性能，沒有高溫測試環(huán)境，導(dǎo)致故障品沒有檢出，從而流出至市場。針對(duì)用戶篩選此種故障，可以使用專用的通電老化箱，監(jiān)控其工作狀態(tài)，如果有不合格的可直接挑選出。

2 封裝異常導(dǎo)致銅絲短路

　　在穩(wěn)壓塊工作過程中，時(shí)常發(fā)生穩(wěn)壓塊莫名奇妙短路的故障，此種故障除穩(wěn)壓塊存在晶圓損傷外，還有一種情況就是穩(wěn)壓塊綁定工藝中使用的銅線短路。

　　如圖5(a)中所示，穩(wěn)壓塊的銅線出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，此種現(xiàn)象為灌注環(huán)氧樹脂時(shí)，灌注速度過快，環(huán)氧樹脂沖擊銅線，導(dǎo)致綁定的銅線漂移，進(jìn)而導(dǎo)致短路。此種短路并不是所有故障品都可以及時(shí)測試出來的，因?yàn)殂~線周圍有環(huán)氧固定，若短路的兩根線距離足夠接近，但未接觸，就無法測試出。而在使用過程中受冷熱沖擊，短路點(diǎn)在沖擊下接觸，短路故障現(xiàn)象就會(huì)隨時(shí)表現(xiàn)出來。

　　除此之外還有內(nèi)部銅線污染如圖5(b)所示，封裝前穩(wěn)壓塊在切筋工藝過程中產(chǎn)生的銅絲和銅屑封裝到穩(wěn)壓塊中導(dǎo)致短路。此種現(xiàn)象與金線紊亂的故障類似，故障存在具有隨機(jī)性，需要生產(chǎn)過程中對(duì)于模具切割工具進(jìn)行長期固定的保養(yǎng)，防止銅屑的產(chǎn)生。

　　穩(wěn)壓塊封裝前的人員操作也會(huì)引起倒絲問題，如圖5(c)所示。在金線綁定完成后，未封裝之前，人員的操作若存在不規(guī)范的現(xiàn)象，接觸到綁定銅線，就會(huì)出現(xiàn)倒絲的現(xiàn)象，此點(diǎn)需要嚴(yán)格規(guī)范員工的操作手法。

　　穩(wěn)壓塊引腳是由相連的銅基板切割而成，這種工藝會(huì)存在引腳間切割不徹底的問題，如圖5(d)所示。如果存在切割刀口老化，就會(huì)導(dǎo)致切割不徹底，有銅屑?xì)埩簦詈笤斐啥搪饭收稀?/p>

3 應(yīng)力問題

　　穩(wěn)壓塊元件往往需要配合散熱器使用，配合的過程需要使用螺釘固定，這樣就會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓塊散熱面發(fā)生一定的形變，而這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓塊的晶圓與周圍的環(huán)氧材料之間形成應(yīng)力。環(huán)氧材料并不是一種優(yōu)質(zhì)的保護(hù)材料，環(huán)氧材料中間夾雜著起到加固作用的晶體顆粒，這些晶體顆粒有棱有角，會(huì)對(duì)晶圓表面的蝕刻元件產(chǎn)生直接損傷導(dǎo)致元件功能失效，如圖6(a)和圖6(b)。針對(duì)此種失效，直接的方法是在晶圓表面增加一層保護(hù)層，防止環(huán)氧晶體顆粒對(duì)晶圓產(chǎn)生損傷，但此種方案實(shí)施成本較高。在此種方法以外，也可從用戶加工方面控制螺釘緊固的力矩，防止因力矩過大導(dǎo)致的失效。

4 電損傷

　　電損傷分兩部分，第一部分為過電損傷，第二部分為靜電損傷。過電損傷多出現(xiàn)在選型問題上，如較小功率或較小電壓的穩(wěn)壓塊，用于大功率電路或者大電壓電路中，最終導(dǎo)致穩(wěn)壓塊失效的故障。由于穩(wěn)壓塊使用較為廣泛，目前用法基本成熟，故此種損傷現(xiàn)在非常少見。其次就是靜電損傷。靜電損傷分為機(jī)械模式損傷和人體模式損傷兩種。

4.1 其中機(jī)械模式對(duì)穩(wěn)壓塊損傷更常見

　　穩(wěn)壓塊加工過程中很容易使用到機(jī)械設(shè)備，這些機(jī)械設(shè)備往往是電動(dòng)氣動(dòng)混合的。若存在電動(dòng)部分，而接地又沒有做好的話，很容易產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，這種情況下機(jī)械加工穩(wěn)壓塊很容易造成穩(wěn)壓塊失效。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，當(dāng)感應(yīng)電壓超過300V時(shí)就會(huì)造成穩(wěn)壓塊直接損傷。

4.2 人體模式對(duì)穩(wěn)壓塊損傷較小

　　穩(wěn)壓塊內(nèi)部本身具有防止靜電損傷的電路，目前模擬的方式主要是使用電容儲(chǔ)能放電加模擬人體電阻的方式來模擬靜電損傷，但人體模擬靜電損傷，目前模擬一般超過8kV才會(huì)導(dǎo)致靜電損傷，人體紡織物在冬季時(shí)可達(dá)萬伏以上的靜電，在春夏季則很難達(dá)到(此點(diǎn)和地域有直接關(guān)系)。在這種情況下，關(guān)于穩(wěn)壓塊，靜電防護(hù)還是必要的。

5 總結(jié)

　　穩(wěn)壓塊失效機(jī)理和大多數(shù)半導(dǎo)體失效機(jī)理類似，穩(wěn)壓塊同時(shí)具有功率器件的應(yīng)力損傷、IC器件的綁定異常、晶圓加工異常、靜電損傷異常等會(huì)直接或間接地導(dǎo)致其失效。穩(wěn)壓塊具有電壓穩(wěn)定的功能，承擔(dān)著電路電源供給的重任，其失效就會(huì)導(dǎo)致電路的癱瘓，故穩(wěn)壓塊的失效分析相對(duì)而言具有較重要的意義。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第38頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。