引線(xiàn)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：結合應用中引線(xiàn)式軸向塑封二極管出現漏電及擊穿失效問(wèn)題，對引線(xiàn)式軸向塑封二極管失效原因及封裝結構進(jìn)行深入剖析，經(jīng)過(guò)對大量失效引線(xiàn)式軸向塑封二極管深入分析確定失效主要原因為引線(xiàn)式軸向塑封二極管為單釘頭引線(xiàn)、大晶圓結構，本身抗機械應力能力差，引線(xiàn)、二極管本體在加工的過(guò)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，呈現正向壓降不良及反向耐壓衰降，在后續的通電過(guò)程中失效進(jìn)一步加深，最終擊穿失效。經(jīng)過(guò)從各方面進(jìn)行論證對比分析，雙釘頭引線(xiàn)、小晶圓結構有很大的優(yōu)勢，開(kāi)發(fā)新型雙釘頭引線(xiàn)、小晶圓結構提高軸向塑封二極管抗機械應力能力，有效解決引線(xiàn)式軸向塑封二極管售后及過(guò)程機械應力失效問(wèn)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(chēng)晶體二極管,簡(jiǎn)稱(chēng)二極管(diode)，它是一種能夠單向傳導電流的電子器件。在半導體二極管內部有一個(gè)晶圓、兩個(gè)引線(xiàn)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(jiàn)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)品控制系統中有廣泛應用，主要應用在空調控制器主板上，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(guò)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

　　某空調企業(yè)控制器主板生產(chǎn)過(guò)程短時(shí)間內出現大比例的某型號引線(xiàn)式軸向塑封二極管電性能失效，統計1年因為該型號引線(xiàn)式軸向塑封二極管失效導致空調不能正常工作數量達到100多單，歷史數據實(shí)際應用失效該型號引線(xiàn)式軸向塑封二極管多達300單，同時(shí)售后也有30多單故障反饋。該問(wèn)題嚴重影響空調整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶(hù)實(shí)際體驗效果。問(wèn)題急需進(jìn)行攻克解決。

　　2 引線(xiàn)式軸向塑封二極管失效機理

　　引線(xiàn)式軸向塑封二極管在生產(chǎn)成型的加工的過(guò)程中會(huì )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(guò)程引線(xiàn)未夾緊，在彎腳時(shí)產(chǎn)生軸向運動(dòng)的拉力，而出現損壞芯片甚至出現引腳被拉出露銅或引線(xiàn)松動(dòng)現象；因兩端引線(xiàn)彎曲，而產(chǎn)生的引線(xiàn)向內做水平擠壓運動(dòng)，通?？梢杂珊钙鼍彌_吸收；引線(xiàn)在打彎腳初，因彎腳模塊做90°轉向而出現的摩擦運動(dòng)會(huì )產(chǎn)生向外的拉力；彎腳成型同時(shí)，若此時(shí)夾具間有異物，夾引線(xiàn)的裝置就夾不緊引線(xiàn)，導致產(chǎn)品有活動(dòng)間隙，此時(shí)芯片處可能同時(shí)出現扭力、剪力、推力交互作用的狀況，產(chǎn)品在此時(shí)易受損傷失效。

　　3 引線(xiàn)式軸向塑封二極管失效品分析

　　3.1 無(wú)損分析

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

　　DE-CAP 分析

　　引線(xiàn)式軸向塑封二極管失效品引線(xiàn)、沾錫，印字清晰，外觀(guān)正常，經(jīng)電性測試呈現出SHORT，化學(xué)解析去除表面黑膠后結構焊接未見(jiàn)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(guò)程中受機械應力的作用，機械應力通過(guò)引腳、二極管本體直接作用到晶圓上，使晶圓受損橫向裂開(kāi)，呈現正向壓降超標，反向耐壓衰降，在后續的通電過(guò)程中發(fā)生不良。

　　4 引線(xiàn)式軸向塑封二極管失效整改措施

　　對比與失效引線(xiàn)式軸向塑封二極管同型號不同廠(chǎng)家引線(xiàn)式軸向塑二極管的抗機械應力能力參數，發(fā)現晶圓面積越大，受力面越大，抗機械應力能力較弱；雙釘頭結構引線(xiàn)的結構較單釘頭結構引線(xiàn)抗機械應力能力強。同型號不同結構二極管抗機械應力能力對比如表4所示。

　　通過(guò)對導致二極管出現異常的末端因素，并結合測試對比結果，落實(shí)對導致晶圓裂的相關(guān)項目落實(shí)改善控制，即需對涉及晶圓尺寸大小引線(xiàn)結構等各方面進(jìn)行優(yōu)化改善。具體改善項目如下：

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

　?、趯⒁€(xiàn)式軸向塑封二極管內部引線(xiàn)結構由單釘頭更改為雙釘頭結構，避免成型過(guò)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(guò)對引線(xiàn)式軸向塑封二極管內部晶元尺寸由70mil更改為60 mil、引線(xiàn)結構由單釘頭更改為雙釘頭結構，對新制品各個(gè)實(shí)驗條件后進(jìn)行電性能參數測試均符合圖紙要求，測試數據如表5所示。

　　6 引線(xiàn)式軸向塑封二極管失效整改總結及意義

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

　　本文對二極管失效原因、失效機理、元器件結構等進(jìn)行詳細分析確定元器件結構設計存在的問(wèn)題，針對問(wèn)題逐一找到可靠有效的解決方案， 經(jīng)過(guò)從各方面進(jìn)行對比分析，調整元器件結構設計改變引線(xiàn)式軸向塑封二極管釘結構、晶圓大小，提高引線(xiàn)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構進(jìn)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

　　[1] 項永金. 快恢復二極管銅遷移失效機理及應用可靠性研究 [J]. 電子產(chǎn)品世界，2017 (5)：

　　[2] 蒲曉明. 電子元器件的失效模型與可靠性試驗方法解析 [J]. 科技創(chuàng )新與應用，2016 (23)；

　　[3] 夏遠飛，劉勇. 半導體分立器件的失效分析及預防措施 [J]. 中國測試，,2012(6)：

　　[4] [崔海燕. 二極管在整流電路中的應用 [J]. 中小企業(yè)管理與科技(下旬刊). 2011 (12).

　　作者簡(jiǎn)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(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第72頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。