半導(dǎo)體三極管的失效分析與可靠性研究

家用空調(diào)整機(jī)售后報(bào)多單U8、E6、顯示異常故障，經(jīng)分析均為三極管失效導(dǎo)致。測(cè)試單個(gè)三極管主要表現(xiàn)為短路與開路故障。統(tǒng)計(jì)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(dǎo)致部分電路功能無法實(shí)現(xiàn)，因此研究三極管的失效模式和失效機(jī)理非常重要。

1   失效原因及失效機(jī)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%，主要為金線綁定不良塌絲失效；部分短路故障失效開封分析為過電損傷失效；經(jīng)分析開路故障主要為金球與魚尾焊接不良，存在虛焊，故障模擬可復(fù)現(xiàn)。

1.1 焊接不良故障分析

1.1.1 電參數(shù)測(cè)試分析

對(duì)不良品進(jìn)行電性測(cè)試，連續(xù)測(cè)試5 遍，測(cè)試結(jié)果顯示樣品IEB 值over，BE 極呈現(xiàn)短路現(xiàn)象。具體電性數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 三極管性能測(cè)試數(shù)據(jù)

1.1.2 開封1內(nèi)部晶元分析

對(duì)不良品進(jìn)行X-ray 透視顯示不良品焊線正常，弧度正常。對(duì)不良品進(jìn)行開封分析，側(cè)面觀察發(fā)現(xiàn)B 焊球與芯片表面有間隙，存在虛焊現(xiàn)象，具體如圖1 所示。

圖1 開封芯片表面

1.1.3 虛焊原因分析

三極管內(nèi)部金線綁定點(diǎn)有2 處，分別為金球與魚尾，這兩處綁定點(diǎn)綁定不良均會(huì)出現(xiàn)故障。如圖2 所示，當(dāng)?shù)装迳嫌?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/硅碎">硅碎時(shí)，壓板會(huì)壓不牢基島，隨著機(jī)器振動(dòng)過程基島會(huì)浮動(dòng)，焊線時(shí)焊頭下降到芯片表面焊接時(shí)焊接能量會(huì)損失，無法達(dá)到焊接參數(shù)的要求，從而造成焊球焊接不牢固，最終表現(xiàn)為脫焊。

圖2 焊接不良示意圖

魚尾也出現(xiàn)過斷線，如圖3 所示，CT 掃描發(fā)現(xiàn)管腳魚尾不良，出現(xiàn)斷點(diǎn)。斷點(diǎn)處與焊盤有輕微接觸，導(dǎo)致故障不穩(wěn)定，在使用中長期通電出現(xiàn)開路。

圖3 魚尾斷線CT掃描圖

如圖4 所示，底板不平，底板四周出現(xiàn)高度差，導(dǎo)致焊接高度不一致，管腳虛位，劈刀切線后出現(xiàn)異常。劈刀切線過程中，當(dāng)?shù)装甯叨炔畲笥?0 μm 時(shí)，管腳呈懸空狀態(tài)，會(huì)上下擺動(dòng)，拉扯銅線，最終導(dǎo)致魚尾斷線。

圖4 魚尾斷線示意圖

魚尾斷線的不良原因?yàn)榈装逵?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/硅碎">硅碎，或在拆卸重新安裝后未做水平高度差檢測(cè)，導(dǎo)致底板不平，劈刀切線時(shí)，管腳呈懸空狀態(tài)，管腳上下擺動(dòng)，拉扯銅線，最終導(dǎo)致魚尾斷線。

1.1.4 虛焊故障模擬驗(yàn)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(duì)應(yīng)的基島位置下面，將已上芯的產(chǎn)品拉到底板下，開始焊接，共計(jì)實(shí)驗(yàn)5 顆。當(dāng)焊接到此顆芯片時(shí)機(jī)器NSOP（non stick detection on pad）報(bào)警，將框架拿到放大鏡下檢查發(fā)現(xiàn)此顆產(chǎn)品有脫焊，觀察其他4 pcs 產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)也有輕微脫焊現(xiàn)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(rèn)此次不良的根本原因?yàn)樯a(chǎn)期間偶然有硅碎隨著機(jī)器的振動(dòng)移動(dòng)到底板下，造成基島不平，銅線焊接時(shí)焊接能量損失，導(dǎo)致產(chǎn)品焊球焊接不牢固。外觀目視檢查未發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)脫焊較輕微虛焊的產(chǎn)品，導(dǎo)致虛焊的產(chǎn)品流出，虛焊的產(chǎn)品不足以承受回流焊過程中急劇變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及長期使用的電應(yīng)力，使焊球脫離芯片表面，從而引起電性能失效。

1.2 金線塌絲故障分析

1.2.1 電參數(shù)測(cè)試分析

對(duì)不良品進(jìn)行外觀檢查，確認(rèn)本體外觀無異常，樣品管腳無異常。對(duì)不良品進(jìn)行電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示樣品ICEO、ICBO 值測(cè)試不過。

1.2.2 X光透射分析

對(duì)不良品進(jìn)行X-ray 透視，不良品焊線塌絲，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(shè)計(jì)核查分析

具體三極管工作電路如圖7 所示，圖左主要用來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管和發(fā)光二極管點(diǎn)亮，驅(qū)動(dòng)電壓（5~12）V，驅(qū)動(dòng)電壓較低，三極管出現(xiàn)故障直接導(dǎo)致顯示異常；圖右為過零檢測(cè)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(hào)提供給主芯片，以便對(duì)固態(tài)繼電器進(jìn)行控制，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的，失效后無法提供信號(hào)給主芯片，直接出現(xiàn)U8 故障。

圖7 三極管工作電路原理圖

3   失效解決方案

通過魚骨圖對(duì)產(chǎn)品全流程生產(chǎn)過程管控，增加顯微鏡檢查、X 光透視，優(yōu)化檢驗(yàn)測(cè)試方法，增加新的高溫管控項(xiàng)目等一系列改善措施，提高產(chǎn)品質(zhì)量，強(qiáng)化產(chǎn)品的測(cè)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(dǎo)書

更新點(diǎn)焊工藝作業(yè)指導(dǎo)書，增加出現(xiàn)NSOP 報(bào)警時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)基島下有硅碎需報(bào)廢整條框架產(chǎn)品的規(guī)定；增加底板清洗后水平高度測(cè)量的項(xiàng)目，要求每次做完清洗重新安裝底板后，要對(duì)底板水平高度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)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(cè)試程序

鑒于IR Reflow 過程可將存在虛焊產(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(cè)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(cè)試程序，增加模擬熱阻測(cè)試項(xiàng)，通過測(cè)試不同電流下的BC 極、BE 極下的電壓值，對(duì)比電流差值計(jì)算出熱阻值，可有效篩選焊接質(zhì)量問題，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通變差的不良產(chǎn)品。

3.1.3 專項(xiàng)管理

針對(duì)焊線機(jī)臺(tái)以及人員不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致虛焊的因素，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)機(jī)臺(tái)實(shí)行專人專機(jī)管理。產(chǎn)品焊線機(jī)臺(tái)選擇機(jī)型為Ihawk，目前共晶工藝的新版設(shè)備性能及穩(wěn)定性方面均有優(yōu)勢(shì)。固定SW1、SW2、SW3 焊線機(jī)臺(tái)生產(chǎn)格力的產(chǎn)品，減少變更產(chǎn)生的影響，提供穩(wěn)定性。

3.2 焊線塌絲改善措施

圖8 為針對(duì)塌絲故障的魚骨圖，通過人、機(jī)、法、冶具4 個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)于可能導(dǎo)致的因素進(jìn)行改善優(yōu)化，從各環(huán)節(jié)減少焊線塌絲隱患。

圖8 塌絲故障分析魚骨圖

3.2.1 包封機(jī)臺(tái)固定

固定機(jī)臺(tái)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(wěn)定性。包封機(jī)臺(tái)為機(jī)械手自動(dòng)抓取排片，而非拉片排片，可預(yù)防由于料片在排片過程中振動(dòng)引起的塌線。

圖9 增加擋板

3.2.3 包封臺(tái)優(yōu)化改善

針對(duì)包封工序人為調(diào)整料片方法不規(guī)范，造成產(chǎn)品塌線的現(xiàn)象，將原來的凸臺(tái)設(shè)計(jì)改為凹臺(tái)設(shè)計(jì)，見圖10，在四周增加擋邊定位，防止料片移動(dòng)，無需手動(dòng)對(duì)料片位置進(jìn)行調(diào)整，避免人為調(diào)整料片造成塌線。

圖10 料片定位改為凹臺(tái)

3.2.4 檢驗(yàn)方法優(yōu)化

針對(duì)產(chǎn)品檢驗(yàn)時(shí)易受干擾導(dǎo)致塌線的情況更改檢驗(yàn)方法，見圖11，由之前取下料片在放大鏡下檢查改為在設(shè)備顯示器上檢查焊球和魚尾，用設(shè)備顯微鏡檢查線弧形狀，減少人為干涉產(chǎn)品，預(yù)防塌絲。QC 檢驗(yàn)頻率：每班2 次/ 機(jī)臺(tái)；操作員自檢頻率：1 次/ 每盒產(chǎn)品/ 機(jī)臺(tái)。

圖11 顯微鏡檢查

3.2.5 人為調(diào)整專項(xiàng)打包

針對(duì)產(chǎn)品包封前受人為干擾產(chǎn)品存在塌線風(fēng)險(xiǎn)的可能，將焊線工序、包封工位所有人為干預(yù)過的料片統(tǒng)一裝入藍(lán)色料盒，包封后再對(duì)其進(jìn)行X-ray 全檢確認(rèn)，將異常品剔除。

4   失效整改總結(jié)及意義

三極管失效是廠家本身產(chǎn)品生產(chǎn)過程及篩選不良導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)故障。通過專項(xiàng)故障整改，采用魚骨圖分析法，從各環(huán)節(jié)控制不良品的發(fā)生與流出。改善生產(chǎn)過程設(shè)備及優(yōu)化測(cè)試方法，增加顯微鏡檢查等手段，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行篩選，可有效提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃淑圓.淺談開關(guān)三極管的原理及應(yīng)用[J].機(jī)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(jì),2010(6X):8.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）