引線式軸向塑封二極管可靠性研究與應用

　　朱平安 項永金 張秀鳳格力電器（合肥）有限公司，（安徽 合肥 230088）

　　摘?要：結(jié)合應用中引線式軸向塑封二極管出現(xiàn)漏電及擊穿失效問題，對引線式軸向塑封二極管失效原因及封裝結(jié)構(gòu)進行深入剖析，經(jīng)過對大量失效引線式軸向塑封二極管深入分析確定失效主要原因為引線式軸向塑封二極管為單釘頭引線、大晶圓結(jié)構(gòu)，本身抗機械應力能力差，引線、二極管本體在加工的過程中受機械應力的作用，二極管晶圓直接受到外力沖擊產(chǎn)生裂紋，呈現(xiàn)正向壓降不良及反向耐壓衰降，在后續(xù)的通電過程中失效進一步加深，最終擊穿失效。經(jīng)過從各方面進行論證對比分析，雙釘頭引線、小晶圓結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)勢，開發(fā)新型雙釘頭引線、小晶圓結(jié)構(gòu)提高軸向塑封二極管抗機械應力能力，有效解決引線式軸向塑封二極管售后及過程機械應力失效問題。

　　關(guān)鍵詞：二極管；機械應力；釘頭；晶圓；可靠性

　　0 引言

　　二極管又稱晶體二極管,簡稱二極管(diode)，它是一種能夠單向傳導電流的電子器件。在半導體二極管內(nèi)部有一個晶圓、兩個引線端子、封裝材料，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的傳導性。二極管常用封裝材料分析常見有玻璃封裝,金屬封裝和塑料封裝幾種（如圖1所示)。

　　二極管在電器產(chǎn)品控制系統(tǒng)中有廣泛應用，主要應用在空調(diào)控制器主板上，二極管失效直接導致主板部分不能正常工作，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。對二極管大量失效品深入分析研究及快速解決二極管過電失效尤為重要，研究二極管失效原因及失效機理，采取有效改善預防措施，具有非常重要意義。

　　1 事件背景

　　某空調(diào)企業(yè)控制器主板生產(chǎn)過程短時間內(nèi)出現(xiàn)大比例的某型號引線式軸向塑封二極管電性能失效，統(tǒng)計1年因為該型號引線式軸向塑封二極管失效導致空調(diào)不能正常工作數(shù)量達到100多單，歷史數(shù)據(jù)實際應用失效該型號引線式軸向塑封二極管多達300單，同時售后也有30多單故障反饋。該問題嚴重影響空調(diào)整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實際體驗效果。問題急需進行攻克解決。

　　2 引線式軸向塑封二極管失效機理

　　引線式軸向塑封二極管在生產(chǎn)成型的加工的過程中會受到各種不同方向的機械應力（如表1所示)，通常受力情況如：加工過程引線未夾緊，在彎腳時產(chǎn)生軸向運動的拉力，而出現(xiàn)損壞芯片甚至出現(xiàn)引腳被拉出露銅或引線松動現(xiàn)象；因兩端引線彎曲，而產(chǎn)生的引線向內(nèi)做水平擠壓運動，通?？梢杂珊钙鼍彌_吸收；引線在打彎腳初，因彎腳模塊做90°轉(zhuǎn)向而出現(xiàn)的摩擦運動會產(chǎn)生向外的拉力；彎腳成型同時，若此時夾具間有異物，夾引線的裝置就夾不緊引線，導致產(chǎn)品有活動間隙，此時芯片處可能同時出現(xiàn)扭力、剪力、推力交互作用的狀況，產(chǎn)品在此時易受損傷失效。

　　3 引線式軸向塑封二極管失效品分析

　　3.1 無損分析

　　查看失效品外管無明顯異常點，使用二極管測試設(shè)備（測試設(shè)備型號：TVR6000）按照圖紙測試條件測試故障件電性能參數(shù)，失效品的引線式軸向塑封二極管故障件的VF和 VB項參數(shù)均出現(xiàn)失效。部分引線式軸向塑封二極管失效品測試參數(shù)如表2所示。

　　DE-CAP 分析

　　引線式軸向塑封二極管失效品引線、沾錫，印字清晰，外觀正常，經(jīng)電性測試呈現(xiàn)出SHORT，化學解析去除表面黑膠后結(jié)構(gòu)焊接未見異常，去除銅腳架和焊錫后1 pcs 晶圓有裂縫、2 pcs 晶圓破裂（如表3所示）。部分二極管失效品DE-CAP分析圖片如表3所示。

　　從元件的失效模式看，造成二極管失效的原因為物料在加工的過程中受機械應力的作用，機械應力通過引腳、二極管本體直接作用到晶圓上，使晶圓受損橫向裂開，呈現(xiàn)正向壓降超標，反向耐壓衰降，在后續(xù)的通電過程中發(fā)生不良。

　　4 引線式軸向塑封二極管失效整改措施

　　對比與失效引線式軸向塑封二極管同型號不同廠家引線式軸向塑二極管的抗機械應力能力參數(shù)，發(fā)現(xiàn)晶圓面積越大，受力面越大，抗機械應力能力較弱；雙釘頭結(jié)構(gòu)引線的結(jié)構(gòu)較單釘頭結(jié)構(gòu)引線抗機械應力能力強。同型號不同結(jié)構(gòu)二極管抗機械應力能力對比如表4所示。

　　通過對導致二極管出現(xiàn)異常的末端因素，并結(jié)合測試對比結(jié)果，落實對導致晶圓裂的相關(guān)項目落實改善控制，即需對涉及晶圓尺寸大小引線結(jié)構(gòu)等各方面進行優(yōu)化改善。具體改善項目如下：

　?、賹⒁€式軸向塑封二極管內(nèi)部晶圓尺寸由70 mil更改為60 mil，減少晶圓受力面積；

　?、趯⒁€式軸向塑封二極管內(nèi)部引線結(jié)構(gòu)由單釘頭更改為雙釘頭結(jié)構(gòu)，避免成型過程中引腳、二極管受到的機械應力直接沖擊晶圓，增強二極管本身的抗機械應力能力。

　　5 整改效果評估及應用效果驗證

　　通過對引線式軸向塑封二極管內(nèi)部晶元尺寸由70mil更改為60 mil、引線結(jié)構(gòu)由單釘頭更改為雙釘頭結(jié)構(gòu)，對新制品各個實驗條件后進行電性能參數(shù)測試均符合圖紙要求，測試數(shù)據(jù)如表5所示。

　　6 引線式軸向塑封二極管失效整改總結(jié)及意義

　　經(jīng)過對過程及售后大量失效品分析，確定引線式軸向塑封二極管出現(xiàn)漏電及擊穿失效問題，對引線式軸向塑封二極管失效原因及器件封裝結(jié)構(gòu)進行深入剖析，發(fā)現(xiàn)器件引線結(jié)構(gòu)、工藝晶元大小存在嚴重質(zhì)量缺陷，經(jīng)過對大量失效引線式軸向塑封二極管深入分析確定失效主要原因為引線式軸向塑封二極管為單釘頭引線、大晶圓結(jié)構(gòu)，本身抗機械應力能力差，引線、二極管本體在加工的過程中受機械應力的作用，使晶圓受損橫向裂開，呈現(xiàn)正向壓降不良及反向耐壓衰降，在后續(xù)的通電過程中發(fā)生不良，導致空調(diào)出現(xiàn)故障。

　　本文對二極管失效原因、失效機理、元器件結(jié)構(gòu)等進行詳細分析確定元器件結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題，針對問題逐一找到可靠有效的解決方案， 經(jīng)過從各方面進行對比分析，調(diào)整元器件結(jié)構(gòu)設(shè)計改變引線式軸向塑封二極管釘結(jié)構(gòu)、晶圓大小，提高引線式軸向塑封二極管本身抗機械應力能力，整改思路從元器件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化升級，從而有效改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品應用可靠性。

　　參考文獻

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　　作者簡介：

　　朱平安（1984—),男，助理工程師，研究方向：二極管可靠性研究

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第72頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。