解偉 趙冰清 李文濤 王小龍 王海波

摘 要：針對(duì)家電用整流橋在生產(chǎn)過(guò)程及用戶(hù)使用一段時(shí)間后出現(xiàn)短路失效的問(wèn)題，本文從整流橋失效機(jī)理、器件選型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程管控、檢測(cè)方式可靠性等方面進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)器件的EOS模擬、X光解析、開(kāi)封觀(guān)察、空調(diào)整機(jī)波形測(cè)試、不良現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)等手段，找出整流橋晶圓本身存在的缺陷，并從器件本身質(zhì)量提升著手，結(jié)合檢測(cè)方式的創(chuàng)新與完善，對(duì)整流橋可靠性進(jìn)行全面系統(tǒng)的提升。

關(guān)鍵詞：整流橋;EOS;晶圓缺陷;高溫反偏

中圖分類(lèi)號(hào)：TM461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）32-0038-03

Study on Working Reliability of Air-conditioning Rectifier Bridge

——Take 15A/800V Rectifier Bridge of Factory A as An Example

XIE Wei ZHAO Bingqing LI Wentao WANG Xiaolong WANG Haibo

（Gree Electric Appliances （Zhengzhou） Co.， Ltd.，Zhenghou Henan 450001）

Abstract： In view of the short-circuit failure of rectifier bridge used in household appliances during the production process and after a period of use by users， this paper analysed the failure mechanism of rectifier bridge， device selection design， structural process design， production process control， reliability of detection methods and so on. By means of EOS simulation， X-ray analysis， open-package observation， waveform test of air-conditioner， and bad phenomena recurrence， the defects of rectifier bridge wafer itself were found out， and the reliability of rectifier bridge was improved comprehensively and systematically by improving the quality of the device itself and combining with the innovation and perfection of detection methods.

Keywords： rectifier bridge;EOS;wafer defect;high temperature reverse bias

整流橋作為一種功率器件，是電源電路的基本組成部分。整流橋內(nèi)部主要是由四個(gè)二極管組成的橋路來(lái)實(shí)現(xiàn)把輸入的交流電轉(zhuǎn)化為輸出的直流電。而空調(diào)外機(jī)用的整流橋需要直接承受母線(xiàn)電壓，對(duì)整流橋的可靠性、一致性及自身功率要求相對(duì)較高。2018年，家用A廠(chǎng)家15A/800V整流橋在售后失效非常突出（內(nèi)部晶圓擊穿失效），屬典型的整流橋自身質(zhì)量缺陷。本文主要對(duì)這一事件進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 事件背景

家用空調(diào)引入A廠(chǎng)家15A/800V規(guī)格整流橋后，在生產(chǎn)過(guò)程及售后實(shí)際工作可靠性方面表現(xiàn)不佳，售后失效尤為突出。由于器件供應(yīng)商和生產(chǎn)批次集中，初步鎖定為整流橋質(zhì)量缺陷導(dǎo)致，該批次失效數(shù)占整流橋售后失效總數(shù)的76%以上。

2 失效原因及失效機(jī)理分析

家用空調(diào)使用A廠(chǎng)家整流橋在售后出現(xiàn)批量失效，失效現(xiàn)象均表現(xiàn)為晶圓燒毀導(dǎo)致短路，且存在單個(gè)晶圓失效和多個(gè)晶圓同時(shí)失效的現(xiàn)象。此類(lèi)失效可能是由過(guò)電損傷、耐壓值偏低、設(shè)計(jì)余量不足和物料本身缺陷等因素造成的，因此，需要從整流橋的使用環(huán)境、設(shè)計(jì)余量和可靠性等方面進(jìn)行全面分析。

2.1 失效現(xiàn)象

利用X光觀(guān)察失效品可以發(fā)現(xiàn)，晶圓存在明顯燒毀陰影，將樣品進(jìn)行化學(xué)開(kāi)封后，可看到晶圓表面有燒熔后的碳化痕跡（見(jiàn)圖1）[1]。此類(lèi)失效為典型的過(guò)電燒毀，但需要進(jìn)一步確定誘發(fā)過(guò)電燒毀的原因。

2.2 使用環(huán)境排查

通過(guò)對(duì)售后失效信息進(jìn)行排查可知，整流橋失效的區(qū)域并不集中，用戶(hù)普遍反饋空調(diào)報(bào)故障前并未出現(xiàn)電壓波動(dòng)的異常，其他生活電器沒(méi)有伴隨失效[2]。

同步對(duì)格力電器（鄭州）有限公司生產(chǎn)過(guò)程下線(xiàn)信息進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)下線(xiàn)時(shí)間、生產(chǎn)線(xiàn)體和機(jī)型分布均不集中，無(wú)明顯規(guī)律。同時(shí)，對(duì)測(cè)試臺(tái)站的電壓波形進(jìn)行監(jiān)控（見(jiàn)圖2）可知，在上電瞬間和運(yùn)行過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)電源尖峰毛刺或電壓突變問(wèn)題，測(cè)試電源運(yùn)行平穩(wěn)受控。因此，外部環(huán)境突變并非導(dǎo)致整流橋批量失效的原因。

2.3 整機(jī)設(shè)計(jì)因素排查

對(duì)空調(diào)整機(jī)在冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)環(huán)節(jié)的波形進(jìn)行監(jiān)控（見(jiàn)圖3和圖4），發(fā)現(xiàn)整流橋在兩個(gè)工作模式下承受的反向電壓分別是196V和270V，遠(yuǎn)未達(dá)到整流橋反向800V的基本測(cè)試電壓。因此，空調(diào)整機(jī)設(shè)計(jì)余量足夠，不會(huì)達(dá)到擊穿整流橋的條件。

①冷啟動(dòng)（VR最高196V，TR最大50μS）。

②熱啟動(dòng)（VR最高270V，TR最大50μS）。

2.4 單體耐壓一致性排查

由于下線(xiàn)品均集中在一個(gè)批次（7239），為了核實(shí)是否存在同批次整流橋耐壓值不一致的問(wèn)題，取同批次庫(kù)存制品5 000pcs進(jìn)行反向耐壓全檢（半導(dǎo)體測(cè)試儀，單點(diǎn)測(cè)試時(shí)間8ms）。經(jīng)驗(yàn)證，在現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備和測(cè)試條件情況下，同批次反向耐壓極限值為1 388～1 574V（技術(shù)要求不低于800V即為合格[3]），未發(fā)現(xiàn)耐壓值偏低的不良品。

2.5 可靠性驗(yàn)證

將同批次未使用的制品進(jìn)行耐久性驗(yàn)證（HTRB高溫反偏），試驗(yàn)條件：125℃、800V、500H，試驗(yàn)數(shù)量：77pcs。試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至168H時(shí)，出現(xiàn)1pcs整流橋短路失效（見(jiàn)表1），失效模式與售后故障現(xiàn)象一致，可確定物料本身存在質(zhì)量缺陷。

2.6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)解析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，取售后退回不良品進(jìn)行3D-Xray檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分樣品銅支架表面與晶圓之間存在焊料殘留物，同步增加觀(guān)察數(shù)量、擴(kuò)大不良品的觀(guān)察范圍，對(duì)比其他批次正常品。結(jié)果表明，售后失效品在整流橋的不同區(qū)域均能檢測(cè)到焊料殘留物（見(jiàn)圖5）。

同步對(duì)失效品的擊穿點(diǎn)進(jìn)行超景深觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)燒毀位置（見(jiàn)圖6）的碳化物是沿著晶片玻璃的側(cè)面自上而下?lián)舸＝Y(jié)合在不同位置發(fā)現(xiàn)殘留物的現(xiàn)象，初步確認(rèn)導(dǎo)致異常的原因是焊料殘留物在成型后被模流沖到銅支架上下極之間，導(dǎo)致在長(zhǎng)期通電的情況下出現(xiàn)飛弧擊穿引發(fā)晶圓短路失效。

3 原因分析與質(zhì)量整改

3.1 生產(chǎn)工序異常點(diǎn)

整流橋成品生產(chǎn)工序：點(diǎn)膠-焊接-清洗-成型-測(cè)試。焊料殘留物的產(chǎn)生是在焊接工序之后（點(diǎn)膠經(jīng)過(guò)回流焊后熔化起到焊接作用），焊接完成后需要經(jīng)過(guò)超聲波清洗來(lái)洗掉支架表面和晶圓周?chē)臍埩粑?，因此初步判定是焊接和清洗工序的管控出現(xiàn)了問(wèn)題。

3.2 失效批次的排查

由于售后失效品集中在7239批次，因此需要對(duì)該批次的生產(chǎn)信息進(jìn)行核查。經(jīng)核實(shí)，該批次的生產(chǎn)周期跨度為2017年9月26日至10月6日，其中10月1日至10月5日未生產(chǎn)。排查發(fā)現(xiàn)，部分料號(hào)的半成品是在節(jié)前焊接、節(jié)后成型。這種情況下，存在焊接后半成品漏清洗直接成型的隱患。

3.3 模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證焊接后漏清洗是否是導(dǎo)致整流橋短路失效的原因，取焊接后半成品按以下四種情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)：①焊接后清洗+成型;②焊接后放置一周后清洗+成型;③焊接后放置一周后不清洗+成型;④焊接后不清洗+成型。

試驗(yàn)結(jié)果如下：焊接后漏清洗直接成型的整流橋，在168H的高溫反偏試驗(yàn)中均復(fù)現(xiàn)了與售后故障現(xiàn)象一致的失效模式，可確認(rèn)為廠(chǎng)家在焊接成型后漏清洗導(dǎo)致了此次質(zhì)量事故。

3.4 改善方案

此次質(zhì)量事故暴露了整流橋生產(chǎn)環(huán)節(jié)由于遺漏工序?qū)е碌漠a(chǎn)品可靠性降低。對(duì)于生產(chǎn)環(huán)節(jié)不同料段的狀態(tài)，通過(guò)使用不同顏色的周轉(zhuǎn)筐保證監(jiān)控有效性;對(duì)于存在漏清洗的問(wèn)題，將生產(chǎn)流程卡由紙質(zhì)跟進(jìn)變更為電子流程卡;同時(shí)，增加半成品和成品的放大鏡全檢，篩查焊料殘留批次[4]。

4 結(jié)論

①空調(diào)用整流橋的功能可靠性管控，建議在保證原有晶圓選型一致性的前提下，增加對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)突發(fā)異常問(wèn)題導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)可靠性降低的隱患點(diǎn)的識(shí)別與管控。

②對(duì)于功率器件存在的導(dǎo)電雜質(zhì)或異物缺陷，常規(guī)的瞬態(tài)測(cè)試方法無(wú)法有效篩查出此類(lèi)不良，極易導(dǎo)致批質(zhì)量事故。

③環(huán)境應(yīng)力類(lèi)試驗(yàn)監(jiān)控方案，可全面應(yīng)用于強(qiáng)電類(lèi)功率器件的可靠性篩查，尤其是對(duì)于存在生產(chǎn)制造缺陷和一致性差異的產(chǎn)品，篩選度能達(dá)到0.99以上，供方出貨檢測(cè)環(huán)節(jié)和客戶(hù)上線(xiàn)使用前均可作為可靠性評(píng)估的有效手段。

參考文獻(xiàn)：

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[4]周玉芬，高錫俊，李建華，等.環(huán)境應(yīng)力篩選加速系數(shù)[J].航空精密制造技術(shù)，2003（5）：38-40.