空調電路板使用穩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壓塊在生產(chǎn)、裝配和使用過(guò)程中于設計、晶圓加工、封裝、過(guò)程應力、過(guò)電損傷等環(huán)境下的損傷機理及防護措施。常見(jiàn)的穩壓塊為三端穩壓塊，作用是將電壓進(jìn)行降壓處理，并將電壓穩定在某一固定值后輸出。

引言

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

　　穩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。穩壓塊的主要性能是為主板提供穩定的電源，并根據主板工作情況提供合適的保護。如：過(guò)載保護、過(guò)熱保護等。穩壓塊由于其關(guān)鍵的性能及重要的作用，導致如果穩壓塊失效，就會(huì )引起主板功能癱瘓。本文對穩壓塊的失效原因及防治措施進(jìn)行了分析和探討。

1 穩壓塊的晶圓制作問(wèn)題

　　穩壓塊是一種運用成熟的半導體元件，但其晶圓加工過(guò)程會(huì )有較為隱蔽的問(wèn)題出現。穩壓塊的晶圓加工和PCB板的加工很類(lèi)似，需要曝光顯影，但其精度非常高，微小到納米級別。在這種加工精度下若出現極其微小的污染源或曝光強度偏差，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(wú)法測試出來(lái)的情況，是因為封裝前的晶圓測試會(huì )比封裝后的性能測試復雜得多，其中最主要的原因是晶圓測試的測試點(diǎn)過(guò)多。為了保證測試效率，晶圓測試過(guò)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，導致一些隱性問(wèn)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)穩壓塊的批量問(wèn)題，故障表現為穩壓塊常溫下工作正常，在高溫35℃以上表現為高溫保護無(wú)輸出，但35℃并未達到保護溫度。經(jīng)過(guò)多方面分析，最終鎖定為穩壓塊溫度保護電路中一個(gè)齊納二極管參數異常導致該故障，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(lái)，并使用微探針測試其特性，發(fā)現其導通電壓達到了9V(如圖3所示)，而正常品為6.8V，其參數已經(jīng)遠大于要求值，其保護電壓也會(huì )受到影響。

　　對結構方面進(jìn)行分析，將切割下的齊納二極管與正常品對比，發(fā)現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)。

　　針對該問(wèn)題，廠(chǎng)家在晶圓測試過(guò)程中未測試出的原因為：該二極管連接在電路中，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(chǎng)家就采取了3點(diǎn)測試法，無(wú)法準確測試出其導通值，導致測試疏漏，進(jìn)而將功能失常的產(chǎn)品流出，而廠(chǎng)家在封裝后測試性能，沒(méi)有高溫測試環(huán)境，導致故障品沒(méi)有檢出，從而流出至市場(chǎng)。針對用戶(hù)篩選此種故障，可以使用專(zhuān)用的通電老化箱，監控其工作狀態(tài)，如果有不合格的可直接挑選出。

2 封裝異常導致銅絲短路

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

　　如圖5(a)中所示，穩壓塊的銅線(xiàn)出現漂移現象，此種現象為灌注環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)，灌注速度過(guò)快，環(huán)氧樹(shù)脂沖擊銅線(xiàn)，導致綁定的銅線(xiàn)漂移，進(jìn)而導致短路。此種短路并不是所有故障品都可以及時(shí)測試出來(lái)的，因為銅線(xiàn)周?chē)协h(huán)氧固定，若短路的兩根線(xiàn)距離足夠接近，但未接觸，就無(wú)法測試出。而在使用過(guò)程中受冷熱沖擊，短路點(diǎn)在沖擊下接觸，短路故障現象就會(huì )隨時(shí)表現出來(lái)。

　　除此之外還有內部銅線(xiàn)污染如圖5(b)所示，封裝前穩壓塊在切筋工藝過(guò)程中產(chǎn)生的銅絲和銅屑封裝到穩壓塊中導致短路。此種現象與金線(xiàn)紊亂的故障類(lèi)似，故障存在具有隨機性，需要生產(chǎn)過(guò)程中對于模具切割工具進(jìn)行長(cháng)期固定的保養，防止銅屑的產(chǎn)生。

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

　　穩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(wèn)題，如圖5(d)所示。如果存在切割刀口老化，就會(huì )導致切割不徹底，有銅屑殘留，最后造成短路故障。

3 應力問(wèn)題

　　穩壓塊元件往往需要配合散熱器使用，配合的過(guò)程需要使用螺釘固定，這樣就會(huì )導致穩壓塊散熱面發(fā)生一定的形變，而這個(gè)過(guò)程會(huì )導致穩壓塊的晶圓與周?chē)沫h(huán)氧材料之間形成應力。環(huán)氧材料并不是一種優(yōu)質(zhì)的保護材料，環(huán)氧材料中間夾雜著(zhù)起到加固作用的晶體顆粒，這些晶體顆粒有棱有角，會(huì )對晶圓表面的蝕刻元件產(chǎn)生直接損傷導致元件功能失效，如圖6(a)和圖6(b)。針對此種失效，直接的方法是在晶圓表面增加一層保護層，防止環(huán)氧晶體顆粒對晶圓產(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(hù)加工方面控制螺釘緊固的力矩，防止因力矩過(guò)大導致的失效。

4 電損傷

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

4.1 其中機械模式對穩壓塊損傷更常見(jiàn)

　　穩壓塊加工過(guò)程中很容易使用到機械設備，這些機械設備往往是電動(dòng)氣動(dòng)混合的。若存在電動(dòng)部分，而接地又沒(méi)有做好的話(huà)，很容易產(chǎn)生較高的感應電壓，這種情況下機械加工穩壓塊很容易造成穩壓塊失效。實(shí)驗結論表明，當感應電壓超過(guò)300V時(shí)就會(huì )造成穩壓塊直接損傷。

4.2 人體模式對穩壓塊損傷較小

　　穩壓塊內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能放電加模擬人體電阻的方式來(lái)模擬靜電損傷，但人體模擬靜電損傷，目前模擬一般超過(guò)8kV才會(huì )導致靜電損傷，人體紡織物在冬季時(shí)可達萬(wàn)伏以上的靜電，在春夏季則很難達到(此點(diǎn)和地域有直接關(guān)系)。在這種情況下，關(guān)于穩壓塊，靜電防護還是必要的。

5 總結

　　穩壓塊失效機理和大多數半導體失效機理類(lèi)似，穩壓塊同時(shí)具有功率器件的應力損傷、IC器件的綁定異常、晶圓加工異常、靜電損傷異常等會(huì )直接或間接地導致其失效。穩壓塊具有電壓穩定的功能，承擔著(zhù)電路電源供給的重任，其失效就會(huì )導致電路的癱瘓，故穩壓塊的失效分析相對而言具有較重要的意義。

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