引線式軸向塑封二極管可靠性研究與應(yīng)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(jié)合應(yīng)用中引線式軸向塑封二極管出現(xiàn)漏電及擊穿失效問題，對引線式軸向塑封二極管失效原因及封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入剖析，經(jīng)過對大量失效引線式軸向塑封二極管深入分析確定失效主要原因?yàn)橐€式軸向塑封二極管為單釘頭引線、大晶圓結(jié)構(gòu)，本身抗機(jī)械應(yīng)力能力差，引線、二極管本體在加工的過程中受機(jī)械應(yīng)力的作用，二極管晶圓直接受到外力沖擊產(chǎn)生裂紋，呈現(xiàn)正向壓降不良及反向耐壓衰降，在后續(xù)的通電過程中失效進(jìn)一步加深，最終擊穿失效。經(jīng)過從各方面進(jìn)行論證對比分析，雙釘頭引線、小晶圓結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)勢，開發(fā)新型雙釘頭引線、小晶圓結(jié)構(gòu)提高軸向塑封二極管抗機(jī)械應(yīng)力能力，有效解決引線式軸向塑封二極管售后及過程機(jī)械應(yīng)力失效問題。

　　關(guān)鍵詞：二極管；機(jī)械應(yīng)力；釘頭；晶圓；可靠性

　　0 引言

　　二極管又稱晶體二極管,簡稱二極管(diode)，它是一種能夠單向傳導(dǎo)電流的電子器件。在半導(dǎo)體二極管內(nèi)部有一個晶圓、兩個引線端子、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(dǎo)性。二極管常用封裝材料分析常見有玻璃封裝,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(tǒng)中有廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用在空調(diào)控制器主板上，二極管失效直接導(dǎo)致主板部分不能正常工作，嚴(yán)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電失效尤為重要，研究二極管失效原因及失效機(jī)理，采取有效改善預(yù)防措施，具有非常重要意義。

　　1 事件背景

　　某空調(diào)企業(yè)控制器主板生產(chǎn)過程短時間內(nèi)出現(xiàn)大比例的某型號引線式軸向塑封二極管電性能失效，統(tǒng)計1年因?yàn)樵撔吞栆€式軸向塑封二極管失效導(dǎo)致空調(diào)不能正常工作數(shù)量達(dá)到100多單，歷史數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用失效該型號引線式軸向塑封二極管多達(dá)300單，同時售后也有30多單故障反饋。該問題嚴(yán)重影響空調(diào)整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實(shí)際體驗(yàn)效果。問題急需進(jìn)行攻克解決。

　　2 引線式軸向塑封二極管失效機(jī)理

　　引線式軸向塑封二極管在生產(chǎn)成型的加工的過程中會受到各種不同方向的機(jī)械應(yīng)力（如表1所示)，通常受力情況如：加工過程引線未夾緊，在彎腳時產(chǎn)生軸向運(yùn)動的拉力，而出現(xiàn)損壞芯片甚至出現(xiàn)引腳被拉出露銅或引線松動現(xiàn)象；因兩端引線彎曲，而產(chǎn)生的引線向內(nèi)做水平擠壓運(yùn)動，通?？梢杂珊钙鼍彌_吸收；引線在打彎腳初，因彎腳模塊做90°轉(zhuǎn)向而出現(xiàn)的摩擦運(yùn)動會產(chǎn)生向外的拉力；彎腳成型同時，若此時夾具間有異物，夾引線的裝置就夾不緊引線，導(dǎo)致產(chǎn)品有活動間隙，此時芯片處可能同時出現(xiàn)扭力、剪力、推力交互作用的狀況，產(chǎn)品在此時易受損傷失效。

　　3 引線式軸向塑封二極管失效品分析

　　3.1 無損分析

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

　　DE-CAP 分析

　　引線式軸向塑封二極管失效品引線、沾錫，印字清晰，外觀正常，經(jīng)電性測試呈現(xiàn)出SHORT，化學(xué)解析去除表面黑膠后結(jié)構(gòu)焊接未見異常，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?yàn)槲锪显诩庸さ倪^程中受機(jī)械應(yīng)力的作用，機(jī)械應(yīng)力通過引腳、二極管本體直接作用到晶圓上，使晶圓受損橫向裂開，呈現(xiàn)正向壓降超標(biāo)，反向耐壓衰降，在后續(xù)的通電過程中發(fā)生不良。

　　4 引線式軸向塑封二極管失效整改措施

　　對比與失效引線式軸向塑封二極管同型號不同廠家引線式軸向塑二極管的抗機(jī)械應(yīng)力能力參數(shù)，發(fā)現(xiàn)晶圓面積越大，受力面越大，抗機(jī)械應(yīng)力能力較弱；雙釘頭結(jié)構(gòu)引線的結(jié)構(gòu)較單釘頭結(jié)構(gòu)引線抗機(jī)械應(yīng)力能力強(qiáng)。同型號不同結(jié)構(gòu)二極管抗機(jī)械應(yīng)力能力對比如表4所示。

　　通過對導(dǎo)致二極管出現(xiàn)異常的末端因素，并結(jié)合測試對比結(jié)果，落實(shí)對導(dǎo)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結(jié)構(gòu)等各方面進(jìn)行優(yōu)化改善。具體改善項目如下：

　　①將引線式軸向塑封二極管內(nèi)部晶圓尺寸由70 mil更改為60 mil，減少晶圓受力面積；

　　②將引線式軸向塑封二極管內(nèi)部引線結(jié)構(gòu)由單釘頭更改為雙釘頭結(jié)構(gòu)，避免成型過程中引腳、二極管受到的機(jī)械應(yīng)力直接沖擊晶圓，增強(qiáng)二極管本身的抗機(jī)械應(yīng)力能力。

　　5 整改效果評估及應(yīng)用效果驗(yàn)證

　　通過對引線式軸向塑封二極管內(nèi)部晶元尺寸由70mil更改為60 mil、引線結(jié)構(gòu)由單釘頭更改為雙釘頭結(jié)構(gòu)，對新制品各個實(shí)驗(yàn)條件后進(jìn)行電性能參數(shù)測試均符合圖紙要求，測試數(shù)據(jù)如表5所示。

　　6 引線式軸向塑封二極管失效整改總結(jié)及意義

　　經(jīng)過對過程及售后大量失效品分析，確定引線式軸向塑封二極管出現(xiàn)漏電及擊穿失效問題，對引線式軸向塑封二極管失效原因及器件封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入剖析，發(fā)現(xiàn)器件引線結(jié)構(gòu)、工藝晶元大小存在嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，經(jīng)過對大量失效引線式軸向塑封二極管深入分析確定失效主要原因?yàn)橐€式軸向塑封二極管為單釘頭引線、大晶圓結(jié)構(gòu)，本身抗機(jī)械應(yīng)力能力差，引線、二極管本體在加工的過程中受機(jī)械應(yīng)力的作用，使晶圓受損橫向裂開，呈現(xiàn)正向壓降不良及反向耐壓衰降，在后續(xù)的通電過程中發(fā)生不良，導(dǎo)致空調(diào)出現(xiàn)故障。

　　本文對二極管失效原因、失效機(jī)理、元器件結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)分析確定元器件結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題，針對問題逐一找到可靠有效的解決方案， 經(jīng)過從各方面進(jìn)行對比分析，調(diào)整元器件結(jié)構(gòu)設(shè)計改變引線式軸向塑封二極管釘結(jié)構(gòu)、晶圓大小，提高引線式軸向塑封二極管本身抗機(jī)械應(yīng)力能力，整改思路從元器件結(jié)構(gòu)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(yīng)用可靠性。

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　　作者簡介：

　　朱平安（1984—),男，助理工程師，研究方向：二極管可靠性研究

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第72頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。