邢鴻語

摘要：半導(dǎo)體器件在使用過程中由于引入過熱應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)品失效屬于常見的失效現(xiàn)象，而我廠玻璃鈍化封裝、玻殼封裝及塑封產(chǎn)品對(duì)受到過熱應(yīng)力的抵抗力較差，受到過熱應(yīng)力后會(huì)導(dǎo)致電性能退化，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致致命失效。

關(guān)鍵詞：過熱應(yīng)力;電性能退化;半導(dǎo)體器件

中圖分類號(hào)：TN301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487（2019）02-0059-03

0引言

近年來我廠生產(chǎn)的半導(dǎo)體分立器件在用戶使用過程中失效的狀況頻發(fā)，經(jīng)過對(duì)各類失效原因進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)用戶在對(duì)產(chǎn)品安裝使用過程中引入不當(dāng)熱應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)品失效，在各類失效原因中占有較高的比例，主要為浸錫及焊接過程中溫度控制不當(dāng)或浸錫深度及時(shí)間控制不當(dāng)造成，文中針半導(dǎo)體分離器引入過熱應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)品失效的現(xiàn)象進(jìn)行分析，希望對(duì)大家在遇到類似失效問題的分析過程中有所幫助。

1理論介紹

導(dǎo)致半導(dǎo)體元器件失效的原因多種多樣。有質(zhì)量控制不當(dāng)引入的材料、工藝缺陷，有產(chǎn)品設(shè)計(jì)不當(dāng)引入的設(shè)計(jì)缺陷，有老化、篩選、裝配中應(yīng)力選擇不當(dāng)或環(huán)境控制不當(dāng)引入的損傷，有產(chǎn)品固有可靠性問題，有使用中工作應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力引入的可靠性問題，以及人為造成的可靠性問題等。無論是什么原因引起的產(chǎn)品失效，都是外因與內(nèi)因共同作用的結(jié)果"。引起電子元器件失效的外因可以是環(huán)境應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等，內(nèi)因則是在其材料、結(jié)構(gòu)中的一系列物理、化學(xué)變化。我們通常將這種內(nèi)在原因稱為失效機(jī)理。所謂失效機(jī)理，是指產(chǎn)品失效的物理、化學(xué)變化，這種變化可以是原子、分子、離子的變化，是失效發(fā)生的內(nèi)在本質(zhì)。

失效模式、失效機(jī)理和失效原因三者之間是相互聯(lián)系，想要清楚的分析產(chǎn)品半導(dǎo)體元器件的失效必須從這三方面深入分析。

文中所介紹的引入過熱應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)品失效其失效模式主要為電參數(shù)漂移，失效原因主要為浸錫及焊接過程中溫度控制不當(dāng)或浸錫深度及時(shí)間控制不當(dāng)。下面通過實(shí)例來介紹引入過熱應(yīng)力引起的產(chǎn)品失效的現(xiàn)象。

2產(chǎn)品失效問題分析

2.1過熱應(yīng)力導(dǎo)致玻鈍管芯片臺(tái)面鈍化效果下降

（1）背景

玻璃鈍化封裝電壓調(diào)整二極管1N4467產(chǎn)品在使用過程中出現(xiàn)1只產(chǎn)品失效，失效模式為反向漏電流超出規(guī)范[2]。為此用戶將1只失效樣品寄回我廠，要求分析原因。

（2）原因分析

將失效產(chǎn)品通過體視顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品均浸錫，而且明顯存在浸錫過深的現(xiàn)象，已浸到產(chǎn)品管體根部，我廠產(chǎn)品手冊中對(duì)引線浸錫時(shí)的注意事項(xiàng)上有明確說明，引線浸錫時(shí)，不能直接浸到引線根部，必須距離器件本體一定的距離，一般2mm以上，否則會(huì)帶來不必要的熱應(yīng)力，影響器件的可靠性，或直接造成器件失效。

對(duì)失效樣品采用QT2晶體管特性圖示儀進(jìn)行特性曲線測試，發(fā)現(xiàn)樣品反向特性曲線呈現(xiàn)軟曲線模式，即接近擊穿點(diǎn)的反向電壓范圍內(nèi)漏電流偏大，產(chǎn)品正向曲線完好，

采用化學(xué)方法將樣品玻璃封裝去除，使管芯及鉬柱裸露。在顯微鏡下觀察裸露的管芯及鉬柱，芯片臺(tái)面未發(fā)現(xiàn)裂紋或擊穿熔融點(diǎn)等異常。

繼續(xù)用化學(xué)試劑對(duì)芯片臺(tái)面清洗，然后用離子水沖洗干凈，酒精脫水烘干后用QT-2晶體管圖示儀測試失效樣品反向電壓曲線，曲線恢復(fù)正常。

該產(chǎn)品屬玻璃封裝型產(chǎn)品，若在對(duì)引線浸鉛錫過程中，把鉛錫浸到了引線的根部，由于冷熱不均，造成玻璃體的瞬間膨脹狀態(tài)存在較大差異，可能使得玻.璃體與PN結(jié)臺(tái)面處的接觸狀態(tài)受到破壞，鈍化效果變差，由于玻璃體具有吸附和固定臺(tái)面處殘留的微量鈉離子等正離子的作用，一旦這種鈍化效果被破壞，臺(tái)面處的正離子在電應(yīng)力的作用下，會(huì)形成較大的表面漏電流，隨著貯存、工作時(shí)間的延長，使得芯片臺(tái)面處發(fā)生邊沿?fù)舸?，使得芯片PN結(jié)的反向擊穿曲線變軟、變差，導(dǎo)致電壓跌落3]。通過以上分析，在經(jīng)過玻璃體去除并對(duì)臺(tái)面腐蝕清洗后，異常漏電消失，即說明在對(duì)芯片臺(tái)面的損傷層或不良界面態(tài)進(jìn)行腐蝕去除后，漏電通道被去除而恢復(fù)正常。

（3）警示

由于此次產(chǎn)品失效可能是產(chǎn)品使用前進(jìn)行浸錫過程中，對(duì)器件引線浸錫過深，致使產(chǎn)生不必要的熱應(yīng)力，使得產(chǎn)品芯片臺(tái)面的界面態(tài)發(fā)生變化，在通電使用時(shí)反向表面漏電流增大引起失效。為了提升產(chǎn)品的使用可靠性，希用戶在使用我廠此類玻璃鈍化封裝產(chǎn)品時(shí)參照我廠產(chǎn)品手冊中針對(duì)引線浸錫過程提出的以下注意事項(xiàng)。

（1）引線浸鉛錫時(shí)，不能直接浸到引線根部，距離器件玻璃體根部的距離必須在2mm以上;

（2）用電鉻鐵焊接時(shí)，應(yīng)在鉻鐵與器件本體用鑷子夾住，以減少熱量直接傳向器件內(nèi)部;

（3）絕不允許將器件丟進(jìn)錫鍋內(nèi)浸錫，這樣會(huì)直接造成器件失效;

（4）浸錫溫度不超過260°C，時(shí)間不超過10s。

3.2過熱應(yīng)力導(dǎo)致玻鈍管玻球出現(xiàn)縱向裂紋

（1）背景

我廠BWA76型硅電壓調(diào)整二極管，用戶裝機(jī)后失效，失效模式為該電壓調(diào)整二極管電壓跌落（跌落到7V左右）。

（2）原因分析

由于玻璃殼體表面存在一條裂紋與二極管本體并行即縱向裂紋。根據(jù)我廠多年從事失效分析工作的經(jīng)驗(yàn)，浸錫過深或焊接時(shí)溫度控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致玻球內(nèi)的鉬柱受熱膨脹，由于鉬柱與玻球的膨脹系數(shù)相差大，會(huì)對(duì)玻璃殼體造成損傷，在此情況下玻璃殼體會(huì)產(chǎn)生縱向的裂紋。如圖1所示。

玻璃殼體產(chǎn)生縱向的裂紋時(shí)對(duì)芯片的保護(hù)作用下降，容易導(dǎo)致水汽等浸入管體，對(duì)產(chǎn)品芯片造成損壞，產(chǎn)品電壓跌落，若這種情況下繼續(xù)加電使用會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致產(chǎn)品玻璃體破裂，短路失效。而由于產(chǎn)品過功率工作產(chǎn)生熱沖擊導(dǎo)致的玻球破裂會(huì)形成橫向的裂紋，而不會(huì)產(chǎn)生平行于管體的縱向裂紋。

（3）總結(jié)

分析認(rèn)為造成此次產(chǎn)品失效的原因?yàn)椋寒a(chǎn)品浸錫過深或焊接時(shí)溫度控制不當(dāng)對(duì)玻球造成損傷而產(chǎn)生縱向的裂紋，從而導(dǎo)致芯片受損，出現(xiàn)電壓跌落。在玻璃鈍化產(chǎn)品玻球上產(chǎn)生縱向裂紋往往與產(chǎn)品受到過熱應(yīng)力鉬柱受熱膨脹有關(guān)。

3.3過熱應(yīng)力導(dǎo)致塑封管芯片出現(xiàn)裂紋

（1）背景

某用戶反饋，我廠生產(chǎn)的批BCX53-16硅PNP晶體管和BCX56-16硅NPN晶體管用在用戶某型號(hào)產(chǎn)品中，在用戶產(chǎn)品的篩選過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效。

（2）原因分析

將樣品腐蝕，進(jìn)行內(nèi)部目檢。樣品芯片版圖清晰，芯片表面存在貫穿性裂紋，基極附近有塑封料殘留（可能為過熱炭化殘留）。

通過對(duì)樣品測試及解剖分析結(jié)果表面，造成樣品參數(shù)異常的原因是芯片表面出現(xiàn)裂紋，芯片裂紋一般在產(chǎn)品受到較強(qiáng)熱應(yīng)力后出現(xiàn)。

（3）警示

根據(jù)用戶載流焊溫區(qū)設(shè)置，最高溫區(qū)在250士5C，帶速為22～33cm/min。產(chǎn)品在高溫下持續(xù)時(shí)間較長，且用戶產(chǎn)品需進(jìn)行二次焊接。產(chǎn)品受到的熱應(yīng)力很強(qiáng)，產(chǎn)品可能在高熱應(yīng)力作用下出現(xiàn)缺陷，造成產(chǎn)品在使用中出現(xiàn)異常。

3.4過熱應(yīng)力導(dǎo)致塑封管出現(xiàn)分層

（1）背景

某廠“反饋，我廠提供的1225D型產(chǎn)品有2只失效，其中1只試驗(yàn)過程中失效，另外1只在用戶在使用過程中失效。用戶將2只失效樣品退回我廠，要求我廠進(jìn)行失效分析。

（2）原因分析

根據(jù)常溫電參數(shù)測試，失效樣品VCES增大，導(dǎo)致產(chǎn)品不能正常工作;我廠同時(shí)對(duì)失效樣品及同批次留存樣品進(jìn)行了聲學(xué)掃描檢查，通過聲學(xué)掃描，樣品塑封體與框架接觸處已經(jīng)全部表現(xiàn)為分層（紅色部位為分層）。

分層是不同材料接觸界面產(chǎn)生了微小剝離，分層是塑封器件的一種行業(yè)缺陷，塑封器件分層不一定引起產(chǎn)品失效，但是對(duì)產(chǎn)品長期可靠性有一定的影響。

根據(jù)聲學(xué)掃描分析，1#樣品不同材料接觸界面已經(jīng)完全分層，2#樣品芯片焊接底板與塑封料完全分層，其框架部位內(nèi)引線焊盤未見分層。在本次聲學(xué)掃描分析中圖1同批次留存樣品都是經(jīng)過所有篩選試驗(yàn)的產(chǎn)品，未見分層。經(jīng)與用戶溝通，產(chǎn)品安裝使用過程中未對(duì)焊接溫度進(jìn)行控制。

分析認(rèn)為，焊接時(shí)產(chǎn)品預(yù)熱溫度梯度太大或者焊接時(shí)時(shí)間長是造成集電極破壞的主要原因。

4結(jié)束語

文中介紹了半導(dǎo)體器件在使用過程中由于引入過熱應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)品失效的現(xiàn)象，并且通過案例分析各封裝類型的產(chǎn)品引入熱應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)品失效的情況，引入過熱應(yīng)力在不同的封裝產(chǎn)品上有不同的表現(xiàn)，希望該分析的經(jīng)驗(yàn)對(duì)以后的分析工作有一定的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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