半導體三極管的失效分析與可靠性研究

家用空調整機售后報多單U8、E6、顯示異常故障，經(jīng)分析均為三極管失效導致。測試單個(gè)三極管主要表現為短路與開(kāi)路故障。統計售后三極管失效貼片與自插型均有失效，失效模式相同。三極管失效后，會(huì )導致部分電路功能無(wú)法實(shí)現，因此研究三極管的失效模式和失效機理非常重要。

1   失效原因及失效機理分析

經(jīng)分析主要為短路故障失效較多，占總失效的66.8%，主要為金線(xiàn)綁定不良塌絲失效；部分短路故障失效開(kāi)封分析為過(guò)電損傷失效；經(jīng)分析開(kāi)路故障主要為金球與魚(yú)尾焊接不良，存在虛焊，故障模擬可復現。

1.1 焊接不良故障分析

1.1.1 電參數測試分析

對不良品進(jìn)行電性測試，連續測試5 遍，測試結果顯示樣品IEB 值over，BE 極呈現短路現象。具體電性數據如表1 所示。

表1 三極管性能測試數據

1.1.2 開(kāi)封1內部晶元分析

對不良品進(jìn)行X-ray 透視顯示不良品焊線(xiàn)正常，弧度正常。對不良品進(jìn)行開(kāi)封分析，側面觀(guān)察發(fā)現B 焊球與芯片表面有間隙，存在虛焊現象，具體如圖1 所示。

圖1 開(kāi)封芯片表面

1.1.3 虛焊原因分析

三極管內部金線(xiàn)綁定點(diǎn)有2 處，分別為金球與魚(yú)尾，這兩處綁定點(diǎn)綁定不良均會(huì )出現故障。如圖2 所示，當底板上有硅碎時(shí)，壓板會(huì )壓不牢基島，隨著(zhù)機器振動(dòng)過(guò)程基島會(huì )浮動(dòng)，焊線(xiàn)時(shí)焊頭下降到芯片表面焊接時(shí)焊接能量會(huì )損失，無(wú)法達到焊接參數的要求，從而造成焊球焊接不牢固，最終表現為脫焊。

圖2 焊接不良示意圖

魚(yú)尾也出現過(guò)斷線(xiàn)，如圖3 所示，CT 掃描發(fā)現管腳魚(yú)尾不良，出現斷點(diǎn)。斷點(diǎn)處與焊盤(pán)有輕微接觸，導致故障不穩定，在使用中長(cháng)期通電出現開(kāi)路。

圖3 魚(yú)尾斷線(xiàn)CT掃描圖

如圖4 所示，底板不平，底板四周出現高度差，導致焊接高度不一致，管腳虛位，劈刀切線(xiàn)后出現異常。劈刀切線(xiàn)過(guò)程中，當底板高度差大于10 μm 時(shí)，管腳呈懸空狀態(tài)，會(huì )上下擺動(dòng)，拉扯銅線(xiàn)，最終導致魚(yú)尾斷線(xiàn)。

圖4 魚(yú)尾斷線(xiàn)示意圖

魚(yú)尾斷線(xiàn)的不良原因為底板有硅碎，或在拆卸重新安裝后未做水平高度差檢測，導致底板不平，劈刀切線(xiàn)時(shí)，管腳呈懸空狀態(tài)，管腳上下擺動(dòng)，拉扯銅線(xiàn)，最終導致魚(yú)尾斷線(xiàn)。

1.1.4 虛焊故障模擬驗證

制作一顆硅碎，如圖5 所示，大概整顆芯片的1/3大小放在底板對應的基島位置下面，將已上芯的產(chǎn)品拉到底板下，開(kāi)始焊接，共計實(shí)驗5 顆。當焊接到此顆芯片時(shí)機器NSOP（non stick detection on pad）報警，將框架拿到放大鏡下檢查發(fā)現此顆產(chǎn)品有脫焊，觀(guān)察其他4 pcs 產(chǎn)品發(fā)現也有輕微脫焊現象，稍用鑷子提拔焊球即脫落。

圖5 焊接故障模擬圖

綜合以上分析，確認此次不良的根本原因為生產(chǎn)期間偶然有硅碎隨著(zhù)機器的振動(dòng)移動(dòng)到底板下，造成基島不平，銅線(xiàn)焊接時(shí)焊接能量損失，導致產(chǎn)品焊球焊接不牢固。外觀(guān)目視檢查未發(fā)現當時(shí)脫焊較輕微虛焊的產(chǎn)品，導致虛焊的產(chǎn)品流出，虛焊的產(chǎn)品不足以承受回流焊過(guò)程中急劇變化所產(chǎn)生的熱應力以及長(cháng)期使用的電應力，使焊球脫離芯片表面，從而引起電性能失效。

1.2 金線(xiàn)塌絲故障分析

1.2.1 電參數測試分析

對不良品進(jìn)行外觀(guān)檢查，確認本體外觀(guān)無(wú)異常，樣品管腳無(wú)異常。對不良品進(jìn)行電性能測試，測試結果顯示樣品ICEO、ICBO 值測試不過(guò)。

1.2.2 X光透射分析

對不良品進(jìn)行X-ray 透視，不良品焊線(xiàn)塌絲，已和引腳框架相碰，具體如圖6 所示。

圖6 X光透視圖

2   電路設計核查分析

具體三極管工作電路如圖7 所示，圖左主要用來(lái)驅動(dòng)數碼管和發(fā)光二極管點(diǎn)亮，驅動(dòng)電壓（5~12）V，驅動(dòng)電壓較低，三極管出現故障直接導致顯示異常；圖右為過(guò)零檢測電路，主要確定交流電電壓為0（近似為0）的時(shí)刻，并將此信號提供給主芯片，以便對固態(tài)繼電器進(jìn)行控制，達到控制轉速的目的，失效后無(wú)法提供信號給主芯片，直接出現U8 故障。

圖7 三極管工作電路原理圖

3   失效解決方案

通過(guò)魚(yú)骨圖對產(chǎn)品全流程生產(chǎn)過(guò)程管控，增加顯微鏡檢查、X 光透視，優(yōu)化檢驗測試方法，增加新的高溫管控項目等一系列改善措施，提高產(chǎn)品質(zhì)量，強化產(chǎn)品的測試篩選，提高產(chǎn)品可靠性。

3.1 焊球脫焊改善措施

3.1.1 完善作業(yè)指導書(shū)

更新點(diǎn)焊工藝作業(yè)指導書(shū)，增加出現NSOP 報警時(shí)檢查發(fā)現基島下有硅碎需報廢整條框架產(chǎn)品的規定；增加底板清洗后水平高度測量的項目，要求每次做完清洗重新安裝底板后，要對底板水平高度進(jìn)行測量，測量結果的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差值需小于10 μm。

3.1.2優(yōu)化測試程序

鑒于IR Reflow 過(guò)程可將存在虛焊產(chǎn)品的失效比例放大，優(yōu)化產(chǎn)品在電鍍前安排1 次IR Reflow；IRReflow 后再做電性測試，此方法可在很大程度上保證產(chǎn)品質(zhì)量。修改產(chǎn)品測試程序，增加模擬熱阻測試項，通過(guò)測試不同電流下的BC 極、BE 極下的電壓值，對比電流差值計算出熱阻值，可有效篩選焊接質(zhì)量問(wèn)題，發(fā)現導通變差的不良產(chǎn)品。

3.1.3 專(zhuān)項管理

針對焊線(xiàn)機臺以及人員不穩定性可能導致虛焊的因素，對產(chǎn)品生產(chǎn)機臺實(shí)行專(zhuān)人專(zhuān)機管理。產(chǎn)品焊線(xiàn)機臺選擇機型為Ihawk，目前共晶工藝的新版設備性能及穩定性方面均有優(yōu)勢。固定SW1、SW2、SW3 焊線(xiàn)機臺生產(chǎn)格力的產(chǎn)品，減少變更產(chǎn)生的影響，提供穩定性。

3.2 焊線(xiàn)塌絲改善措施

圖8 為針對塌絲故障的魚(yú)骨圖，通過(guò)人、機、法、冶具4 個(gè)環(huán)節，對于可能導致的因素進(jìn)行改善優(yōu)化，從各環(huán)節減少焊線(xiàn)塌絲隱患。

圖8 塌絲故障分析魚(yú)骨圖

3.2.1 包封機臺固定

固定機臺生產(chǎn)的產(chǎn)品及操作人員，減少變更產(chǎn)生的影響，提供穩定性。包封機臺為機械手自動(dòng)抓取排片，而非拉片排片，可預防由于料片在排片過(guò)程中振動(dòng)引起的塌線(xiàn)。

圖9 增加擋板

3.2.3 包封臺優(yōu)化改善

針對包封工序人為調整料片方法不規范，造成產(chǎn)品塌線(xiàn)的現象，將原來(lái)的凸臺設計改為凹臺設計，見(jiàn)圖10，在四周增加擋邊定位，防止料片移動(dòng)，無(wú)需手動(dòng)對料片位置進(jìn)行調整，避免人為調整料片造成塌線(xiàn)。

圖10 料片定位改為凹臺

3.2.4 檢驗方法優(yōu)化

針對產(chǎn)品檢驗時(shí)易受干擾導致塌線(xiàn)的情況更改檢驗方法，見(jiàn)圖11，由之前取下料片在放大鏡下檢查改為在設備顯示器上檢查焊球和魚(yú)尾，用設備顯微鏡檢查線(xiàn)弧形狀，減少人為干涉產(chǎn)品，預防塌絲。QC 檢驗頻率：每班2 次/ 機臺；操作員自檢頻率：1 次/ 每盒產(chǎn)品/ 機臺。

圖11 顯微鏡檢查

3.2.5 人為調整專(zhuān)項打包

針對產(chǎn)品包封前受人為干擾產(chǎn)品存在塌線(xiàn)風(fēng)險的可能，將焊線(xiàn)工序、包封工位所有人為干預過(guò)的料片統一裝入藍色料盒，包封后再對其進(jìn)行X-ray 全檢確認，將異常品剔除。

4   失效整改總結及意義

三極管失效是廠(chǎng)家本身產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程及篩選不良導致實(shí)際應用中出現故障。通過(guò)專(zhuān)項故障整改，采用魚(yú)骨圖分析法，從各環(huán)節控制不良品的發(fā)生與流出。改善生產(chǎn)過(guò)程設備及優(yōu)化測試方法，增加顯微鏡檢查等手段，對產(chǎn)品進(jìn)行篩選，可有效提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻：

[1]黃淑圓.淺談開(kāi)關(guān)三極管的原理及應用[J].機電信息,2015(21):36-36,37.

[2]王延軍.三極管電路分析方法探討[J].中國城市經(jīng)濟,2010(6X):8.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）