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功率半導體晶元浪涌擊穿的分析與研究

作者:王少輝,項永金(格力電器(合肥)有限公司,合肥 230088)時間:2021-10-11來源:電子產品世界收藏
編者按:整流橋擊穿短路失效,故障表現為橋堆內部二極管晶元浪涌擊穿。本文從整流橋失效機理、器件結構、生產過程可靠性等方面分析,通過采用X-ray、超景深微鏡、QT2等設備對器件進行全面分析論斷。通過研究分析發現,此故障為晶元焊接后清洗不良所致,焊接過后晶元周圍多余焊料未清洗干凈,導致晶元耐電壓能力下降。整改從清洗環節入手,通過更改清洗溶液比重,以及建立報警和可追溯機制,杜絕此故障發生。


本文引用地址:http://www.recipesarchive.com/article/202110/428743.htm

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,廣泛應用于各種電源設備。其內部主要是由4 個二極管組成的橋路來實現把輸入的交流電壓轉化為輸出的直流電壓。整流橋內部是由4 個整流二極管組成的1 個橋堆,在模擬電路中應用非常廣泛,主要應用在直流電源、測量、極性選擇等實際電路中。整流橋失效后,會出現電源電路不通電,直接導致電器不能使用,本文對整流橋失效展開分析研究。

1   事件背景

整流橋在實際應運中出現浪涌失效,測試整流橋內部不同位置二極管均有失效,位置失效不集中,產線生產批次集中。故障測試為內部單個不同晶元擊穿短路,表象為。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,即使交流電源轉換為脈動直流電源。工作原理:在整流橋的每個工作周期內,同一時間只有2 個二極管工作,通過二極管的單向導通功能,把交流電轉換成單向的直流脈動電壓。該整流橋采用塑料封裝結構(大多數小功率整流橋都是采用該封裝形式)。橋內的4 個主要發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構,在上述二極管、引腳銅板、連接銅板以及連接導線的周圍充滿了作為絕緣、導熱的骨架填充物質的環氧樹脂。

2   失效原因及失效機理分析

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象,引腳無開裂、打火異常,樹脂封裝完好。

2.2 整流橋電參數測試分析

整流橋二極管晶元短路失效數據統計,整流橋內部4 個二極管失效數量排序不集中,內部原理如圖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,并與正常品進行對比。異常品的部分引腳間呈現短路現象,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:

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圖1 內部原理圖及特性曲線

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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行正面透射,見圖2,分析發現內部晶片邊緣有異常陰影。檢查發現燒損點具有一致性,集中于金屬連接橋與二極管晶片交界處。

2.4 開封內部晶元分析

對失效整流橋進行開封解析,除去黑膠顯示內部晶元夾片有燒傷痕跡。開封結果顯示樣品短路引腳所對應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。開封未發現材料結構異常,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)。

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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,剩余部分可以從側面做X-ray 檢查二極管晶片,結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,研磨后發現晶圓側面的材料(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。

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圖4 側面剖析外貌

對故障件進行分析,確認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,為行業普遍問題。由于循環泵故障導致清洗站清洗溶液下降,從而造成溶劑清洗不干凈。由于清洗溶液無SPC 管理,未超規格但有明顯下降時無法及時發現。在焊接上下層的金屬連接橋時產生錫珠,導致二極管晶元的邊沿爬電距離偏小,應用過程中電源出現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

對生產過程可能導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,分析確認失效因素為清洗環節異常導致。

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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,焊接后均會產生錫珠,清洗環節尤為重要。以下主要針對清洗環節進行排查分析。

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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“自動焊接時間/ 壓力設定表”調整點膠大小。將實際參數記錄在核對表中,IPQC 每班檢查參數是否符合規格,如有超規則立扣留單,并進行追溯,確認此環節無異常。

3.2 清洗制程排查

查看所有故障批次經過清洗制程,未發現漏清洗的現象。IPQC 每班要測量1 次清洗溶液,規格>1.15,故障批次未發現比重超規記錄,但是發現6/2早班~ 6/3 早班的比重數據有波動。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致溶液比重下降。將2019 全年度的比重記錄全部對比發現,發現除了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

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由于比重值沒有超規格,因此不會開具異常處理單。根據模擬實驗結果,材料表面未發現異常,因此當時未能偵測到。搜索清洗站所有制程記錄,各項設定都在規格內,也無機故記錄,但在6 月3 日曾做過清洗線季度保養。保養時要求對各部位查看工作是否正常,實際比對備品領料記錄,故障批次生產當天領用過磁力泵。與設備維護人員確認,保養時發現磁力泵不工作,因此更換備品。

3.4 循環泵故障排查

磁力泵即循環泵,主要起到循環過濾清洗液的作用,清洗過程如圖7 所示。當泵異常時,會導致槽內溶液循環不良,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,導致溶液比重出現波動,無法達到預期的清洗效果。由于循環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制。

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圖7 清洗作業流程示意圖

3.5 模擬驗證故障品分析

模擬驗證,當比重低于規格值時,經過96 h失效1顆,剩余材料繼續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現異常,失效模式為晶元下方有浪涌痕跡,與售后失效品結果相同。

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圖8 失效故障件開封分析

分析總計:通過以上調查分析,本次故障產生因素主要是以下3 點:

①清洗溶液監控異常,循環泵故障導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制;

③比重無SPC 管理,未超規格但有明顯下降時無法及時發現。

4   失效解決方案

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

1)更調整清洗溶液比重

重新制定清洗站溶液比重規格,由1.15 調整為1.24,當循環泵失效時,在1 天之內即可發現異常,修改《清洗站檢驗規范》,比重規格:≥ 1.15,之后:≥ 1.24;

2)增加監控報警設備

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

3)完善設備管理

清洗站循環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,維修無異常確認通過后才可開始生產。

4)增加SPC 管控系統

清洗站溶液比重導入SPC 管控系統,連續上升或下降時能夠自動警報,及時發現過程不良。

5)增加CCD 檢測

在晶元焊接后,增加側面CDD 檢測識別,發現錫珠大于晶元厚度1/3 判定為不良品,直接報廢處理。

5   失效整改總結及意義

確認晶元浪涌失效為產品焊接后導致,通過調整比重,增加清洗溶劑流量檢測、側面CCD 視覺檢測,能有效監控生產環節不良,及時篩選出不良品,減少因導致的失效。

參考文獻:

[1] 許其品,魏偉,王永剛.可控硅整流橋均流的探討[J].水電自動化與大壩監測,2010(4):12-15.

[2] 蘇成富.談談彩電中的整流橋堆[J].家庭電子,1998(2):20.

(本文來源于《電子產品世界》雜志2021年9月期)



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