功率半導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，廣泛應用于各種電源設備。其內部主要是由4 個(gè)二極管組成的橋路來(lái)實(shí)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(gè)整流二極管晶元組成的1 個(gè)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(shí)際電路中。整流橋失效后，會(huì )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)際應運中出現浪涌失效，測試整流橋內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(xiàn)生產(chǎn)批次集中。故障測試為內部單個(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，同一時(shí)間只有2 個(gè)二極管工作，通過(guò)二極管的單向導通功能，把交流電轉換成單向的直流脈動(dòng)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(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（交流輸入導線(xiàn)）相連，形成外觀(guān)上有4 個(gè)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(xiàn)的周?chē)錆M(mǎn)了作為絕緣、導熱的骨架填充物質(zhì)的環(huán)氧樹(shù)脂。

2   失效原因及失效機理分析

2.1 整流橋外觀(guān)形貌查看

對故障整流橋外觀(guān)放大鏡檢查，未看到破損以及燒的現象，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(gè)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(xiàn)，并與正常品進(jìn)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(xiàn)如圖2 所示：

圖1 內部原理圖及特性曲線(xiàn)

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(jìn)行正面透射，見(jiàn)圖2，分析發(fā)現內部晶片邊緣有異常陰影。檢查發(fā)現燒損點(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)封內部晶元分析

對失效整流橋進(jìn)行開(kāi)封解析，除去黑膠顯示內部晶元夾片有燒傷痕跡。開(kāi)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(kāi)封未發(fā)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）。

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(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，剩余部分可以從側面做X-ray 檢查二極管晶片，結果顯示燒損點(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(guān)察二極管晶片的失效點(diǎn)，研磨后發(fā)現晶圓側面的材料（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 側面剖析外貌

對故障件進(jìn)行分析，確認失效原因為晶元在點(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，未超規格但有明顯下降時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現。在焊接上下層的金屬連接橋時(shí)產(chǎn)生錫珠，導致二極管晶元的邊沿爬電距離偏小，應用過(guò)程中電源出現輕微浪涌電壓時(shí)將該位置擊穿造成短路。

3   失效因素排查分析

對生產(chǎn)過(guò)程可能導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)，分析確認失效因素為清洗環(huán)節異常導致。

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)節尤為重要。以下主要針對清洗環(huán)節進(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(zhù)在支架上，根據“自動(dòng)焊接時(shí)間/ 壓力設定表”調整點(diǎn)膠大小。將實(shí)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(jìn)行追溯，確認此環(huán)節無(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)現漏清洗的現象。IPQC 每班要測量1 次清洗溶液比重，規格>1.15，故障批次未發(fā)現比重超規記錄，但是發(fā)現6/2早班～ 6/3 早班的比重數據有波動(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 )導致溶液比重下降。將2019 全年度的比重記錄全部對比發(fā)現，發(fā)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(huì )造成實(shí)際材料失效，制定驗證實(shí)驗（表1）。從該驗證實(shí)驗來(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)有超規格，因此不會(huì )開(kāi)具異常處理單。根據模擬實(shí)驗結果，材料表面未發(fā)現異常，因此當時(shí)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(wú)機故記錄，但在6 月3 日曾做過(guò)清洗線(xiàn)季度保養。保養時(shí)要求對各部位查看工作是否正常，實(shí)際比對備品領(lǐng)料記錄，故障批次生產(chǎn)當天領(lǐng)用過(guò)磁力泵。與設備維護人員確認，保養時(shí)發(fā)現磁力泵不工作，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。當泵異常時(shí)，會(huì )導致槽內溶液循環(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)，導致溶液比重出現波動(dòng)，無(wú)法達到預期的清洗效果。由于循環(huán)泵故障只是通過(guò)溶液比重識別，沒(méi)有可以快速偵測故障的機制。

圖7 清洗作業(yè)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(shí)，經(jīng)過(guò)96 h失效1顆，剩余材料繼續168 h 無(wú)失效。對失效品取樣分析，見(jiàn)圖8，去黑膠后材料表面未發(fā)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。

圖8 失效故障件開(kāi)封分析

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

①清洗溶液監控異常，循環(huán)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(huán)泵故障只是通過(guò)溶液比重識別，沒(méi)有可以快速偵測故障的機制；

③比重無(wú)SPC 管理，未超規格但有明顯下降時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現。

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(jīng)模擬是生產(chǎn)期間清洗溶液比重控制失效造成。針對此故障失效，通過(guò)對生產(chǎn)各環(huán)節制定整改措施，驗證整改效果無(wú)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(huán)泵失效時(shí)，在1 天之內即可發(fā)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(huán)泵運行監控器，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。同時(shí)加裝了循環(huán)在線(xiàn)監測部件監測流速，檢測到循環(huán)不良時(shí)能夠及時(shí)報警，在生產(chǎn)中快速偵察到溶液循環(huán)異常。循環(huán)異常時(shí)，有警報及故障信息提示。

3）完善設備管理

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，維修無(wú)異常確認通過(guò)后才可開(kāi)始生產(chǎn)。

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(shí)能夠自動(dòng)警報，及時(shí)發(fā)現過(guò)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(fā)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(chǎn)品焊接后清洗不良導致，通過(guò)調整比重，增加清洗溶劑流量檢測、側面CCD 視覺(jué)檢測，能有效監控生產(chǎn)環(huán)節不良，及時(shí)篩選出不良品，減少因清洗不良導致的失效。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）