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(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于各種電源設(shè)備。其內(nèi)部主要是由4 個(gè)二極管組成的橋路來(lái)實(shí)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(gè)整流二極管晶元組成的1 個(gè)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(cè)量、極性選擇等實(shí)際電路中。整流橋失效后，會(huì)出現(xiàn)電源電路不通電，直接導(dǎo)致電器不能使用，本文對(duì)整流橋浪涌擊穿失效展開(kāi)分析研究。

1   事件背景

整流橋在實(shí)際應(yīng)運(yùn)中出現(xiàn)浪涌失效，測(cè)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(cè)試為內(nèi)部單個(gè)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(lèi)。在電源電路中，整流橋應(yīng)用非常廣泛，此時(shí)該橋式電路主要起整流作用，即使交流電源轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電源。工作原理：在整流橋的每個(gè)工作周期內(nèi)，同一時(shí)間只有2 個(gè)二極管工作，通過(guò)二極管的單向?qū)üδ?，把交流電轉(zhuǎn)換成單向的直流脈動(dòng)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(gè)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(gè)對(duì)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?chē)錆M了作為絕緣、導(dǎo)熱的骨架填充物質(zhì)的環(huán)氧樹(shù)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(duì)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(wú)開(kāi)裂、打火異常，樹(shù)脂封裝完好。

2.2 整流橋電參數(shù)測(cè)試分析

整流橋二極管晶元短路失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，整流橋內(nèi)部4 個(gè)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(cè)試樣品各引腳間的V-I 特性曲線，并與正常品進(jìn)行對(duì)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(cè)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(duì)短路位置二極管晶元進(jìn)行正面透射，見(jiàn)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(diǎn)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(kāi)封內(nèi)部晶元分析

對(duì)失效整流橋進(jìn)行開(kāi)封解析，除去黑膠顯示內(nèi)部晶元夾片有燒傷痕跡。開(kāi)封結(jié)果顯示樣品短路引腳所對(duì)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(kāi)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(kāi)封形貌

2.5 晶元焊接面金相分析

如圖4 所示，對(duì)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(duì)異常陰影進(jìn)行金相研磨，放大鏡檢查明顯為焊接時(shí)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(diǎn)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(diǎn)，研磨后發(fā)現(xiàn)晶圓側(cè)面的材料（燒損點(diǎn)）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(duì)故障件進(jìn)行分析，確認(rèn)失效原因?yàn)榫г邳c(diǎn)膠焊接后，部分錫膏在焊接熔化過(guò)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(lèi)焊接形成的錫珠無(wú)法避免，為行業(yè)普遍問(wèn)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(wú)SPC 管理，未超規(guī)格但有明顯下降時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。在焊接上下層的金屬連接橋時(shí)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(guò)程中電源出現(xiàn)輕微浪涌電壓時(shí)將該位置擊穿造成短路。

3   失效因素排查分析

對(duì)生產(chǎn)過(guò)程可能導(dǎo)致因素制作因果排查圖（見(jiàn)圖5），全流程分析排查失效故障點(diǎn)，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(guò)程流程如圖6 所示，焊接過(guò)程中晶元上下焊接均要點(diǎn)膠，焊接后均會(huì)產(chǎn)生錫珠，清洗環(huán)節(jié)尤為重要。以下主要針對(duì)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(diǎn)膠頭排查

采用氣壓式點(diǎn)膠頭將錫膏附著在支架上，根據(jù)“自動(dòng)焊接時(shí)間/ 壓力設(shè)定表”調(diào)整點(diǎn)膠大小。將實(shí)際參數(shù)記錄在核對(duì)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(wú)異常。

3.2 清洗制程排查

查看所有故障批次經(jīng)過(guò)清洗制程，未發(fā)現(xiàn)漏清洗的現(xiàn)象。IPQC 每班要測(cè)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?cái)?shù)據(jù)有波動(dòng)。說(shuō)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(huì)導(dǎo)致溶液比重下降。將2019 全年度的比重記錄全部對(duì)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(yàn)證

為了明確比重的差異是否會(huì)造成實(shí)際材料失效，制定驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（表1）。從該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來(lái)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(méi)有超規(guī)格，因此不會(huì)開(kāi)具異常處理單。根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，材料表面未發(fā)現(xiàn)異常，因此當(dāng)時(shí)未能偵測(cè)到。搜索清洗站所有制程記錄，各項(xiàng)設(shè)定都在規(guī)格內(nèi)，也無(wú)機(jī)故記錄，但在6 月3 日曾做過(guò)清洗線季度保養(yǎng)。保養(yǎng)時(shí)要求對(duì)各部位查看工作是否正常，實(shí)際比對(duì)備品領(lǐng)料記錄，故障批次生產(chǎn)當(dāng)天領(lǐng)用過(guò)磁力泵。與設(shè)備維護(hù)人員確認(rèn)，保養(yǎng)時(shí)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(guò)濾清洗液的作用，清洗過(guò)程如圖7 所示。當(dāng)泵異常時(shí)，會(huì)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(dòng)，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的清洗效果。由于循環(huán)泵故障只是通過(guò)溶液比重識(shí)別，沒(méi)有可以快速偵測(cè)故障的機(jī)制。

圖7 清洗作業(yè)流程示意圖

3.5 模擬驗(yàn)證故障品分析

模擬驗(yàn)證，當(dāng)比重低于規(guī)格值時(shí)，經(jīng)過(guò)96 h失效1顆，剩余材料繼續(xù)168 h 無(wú)失效。對(duì)失效品取樣分析，見(jiàn)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(kāi)封分析

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

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(guò)溶液比重識(shí)別，沒(méi)有可以快速偵測(cè)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(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

4   失效解決方案

故障批次不良品集中問(wèn)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(duì)此故障失效，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)制定整改措施，驗(yàn)證整改效果無(wú)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(shí)，在1 天之內(nèi)即可發(fā)現(xiàn)異常，修改《清洗站檢驗(yàn)規(guī)范》，比重規(guī)格：≥ 1.15，之后：≥ 1.24；

2）增加監(jiān)控報(bào)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(shí)會(huì)警報(bào)。同時(shí)加裝了循環(huán)在線監(jiān)測(cè)部件監(jiān)測(cè)流速，檢測(cè)到循環(huán)不良時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警，在生產(chǎn)中快速偵察到溶液循環(huán)異常。循環(huán)異常時(shí)，有警報(bào)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(wú)異常確認(rèn)通過(guò)后才可開(kāi)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(shí)能夠自動(dòng)警報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)程不良。

5）增加CCD 檢測(cè)

在晶元焊接后，增加側(cè)面CDD 檢測(cè)識(shí)別，發(fā)現(xiàn)錫珠大于晶元厚度1/3 判定為不良品，直接報(bào)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(guò)調(diào)整比重，增加清洗溶劑流量檢測(cè)、側(cè)面CCD 視覺(jué)檢測(cè)，能有效監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)節(jié)不良，及時(shí)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）