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        基于大功率可控硅芯片SCR的失效分析研究*

        2022-01-06 08:36:14張凱虹萬永康
        艦船電子工程 2021年12期
        關(guān)鍵詞:分析

        王 敦 張凱虹 萬永康

        (中國電子科技集團公司第五十八研究所 無錫 214035)

        1 引言

        多功能、微型化以及集成度高的芯片已經(jīng)成為發(fā)展趨勢,由于使用環(huán)境要求越來越高,芯片失效率也逐年增加,電子產(chǎn)品的可靠性逐漸成為質(zhì)量管理的焦點。失效分析技術(shù)是一門發(fā)展中的新興學(xué)科,在國外主要應(yīng)用在汽車電子、航空電子等高科技技術(shù)領(lǐng)域,需要結(jié)合物理、金相和化學(xué)等多學(xué)科交叉進行分析。利用失效分析技術(shù)可以管控電子元器件質(zhì)量,提高電子元器件以及電子控制系統(tǒng)的可靠性[1]。在產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)整個項目生命周期各個環(huán)節(jié)都可能發(fā)生產(chǎn)品失效等問題,20世紀(jì)初,汽車工業(yè)首先將失效分析技術(shù)FMEA作為對汽車電子設(shè)計和生產(chǎn)制造的質(zhì)量評審一部分[2]。隨后,1993年,美國質(zhì)量汽車工業(yè)協(xié)會制定了失效分析技術(shù)FMEA第一版本手冊。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展,F(xiàn)MEA被細(xì)分為設(shè)計階段的DFMEA和生產(chǎn)階段的PFMEA[3]。這就為電子產(chǎn)品失效分析提供了技術(shù)支持,PCB已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)品的最為重要的一部分,但是由于設(shè)計和工藝的原因,PCB在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中存在大量的失效問題。其中大功耗的可控硅芯片SCR已經(jīng)是PCB上失效頻率最高的元器件[4]。本文基于PCBA主控板上可控硅芯片SCR進行失效分析,通過I-V電學(xué)復(fù)測、X-Ray射線、C-SAM超聲以及SEM等失效分析測試設(shè)備,確定器件失效的模式,分析造成器件失效的機理,定位失效點并查找失效原因,并提出設(shè)計優(yōu)化建議。為PCBA電控板可靠性設(shè)計與失效分析提供了一定的參考依據(jù)。

        2 案例背景分析

        根據(jù)用戶提供失效信息,該器件為PCBA主控板上可控硅芯片,在整機使用過程中失效,經(jīng)拆機確認(rèn)T1和T2端口短路失效,且PCB板上無其它元器件失效現(xiàn)象,SCR器件如圖1所示。通過對失效器件進行電學(xué)測試、物理和化學(xué)試驗,確定器件失效的模式,分析造成器件失效的機理,定位失效點并查找失效原因,為電路設(shè)計優(yōu)化,提高電子產(chǎn)品可靠性具有十分重要的作用。芯片失效分析流程主要包括外觀檢查、電學(xué)復(fù)測、X-Ray射線測試、超聲C-SAM測試,開封測試,去層分析等[5]。

        圖1 雙向可控硅芯片SCR實物照片正面(左)及反面(右)

        3 測試結(jié)果與分析

        3.1 器件外觀檢查與分析

        對失效器件進行外觀檢查,如圖1所示,器件從PCBA板上解焊后,表面存在殘留的膠體,引腳處存在多余的錫焊料。與良品對比,失效樣品表面標(biāo)識清晰,器件封裝結(jié)構(gòu)正常,未見破損、凸起、裂痕等明顯異常形貌。

        3.2 器件電學(xué)參數(shù)測試與分析

        對器件進行電學(xué)參數(shù)復(fù)測,分別測試主電極和控制極之間電性能參數(shù),檢查T1、T2和G極間是否存在功能異?,F(xiàn)象,如圖2所示??捎蒊-V特性曲線圖看出,在+/-0.2V區(qū)間內(nèi),失效樣品呈現(xiàn)出阻性,與正常器件對比,I/V變化曲線超過30%不同。同時,對地電阻測試結(jié)果如表1所示,G(+)→T2電阻值為170Ω,T1(+)→T2電阻值為7Ω,而正常器件電阻值在MΩ級別,TR1器件G和T1電極均與T2電極短路,說明器件內(nèi)部損壞[7],為了進一步研究失效結(jié)果,確定失效的位置。對芯片進行無損X-Ray射線測試。

        圖2 SCR器件電學(xué)I-V測試結(jié)果

        表1 功能正常與異常器件電學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

        3.3 器件X-Ray射線測試與分析

        對失效器件進行X-Ray射線測試,由圖3可知,封裝內(nèi)部框架清晰,無異物粘結(jié),芯片結(jié)構(gòu)完整,芯片DIE與基底之間的粘結(jié)料存在溢出現(xiàn)象,主要是在貼片DIE工藝時,粘結(jié)料溢出導(dǎo)致,根據(jù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求,并不影響器件功能[8]。

        圖3 失效器件X-Ray測試結(jié)果俯視圖(左)和側(cè)視圖(右)

        3.4 器件C-SAM超聲測試與分析

        為了進一步確認(rèn)器件內(nèi)部是否存在缺陷,檢查引線鍵合和芯片是否存在分層、模塑化合物的空洞和裂紋、引線框架以及芯片的粘接區(qū)域缺陷,采用超聲C-SAM掃描測試分析[9]。測試結(jié)果見圖4,圖中黃色區(qū)域表明,SCR器件芯片鍵合絲區(qū)域的引腳出現(xiàn)異常。芯片的引線鍵合區(qū)主要受到引線焊接材料穩(wěn)定性不足以及容易氧化、硬度和彎曲度變化等影響[10]。

        圖4 失效器件超聲C-SAM測試結(jié)果正視圖(左)和放大圖(右)

        3.5 器件開封測試與分析

        對器件無損開封后進行內(nèi)部檢查,檢查內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)是否存在缺陷,內(nèi)部引線鍵合絲是否損傷,內(nèi)部芯片是否存在破損、腐蝕、過電壓擊穿或過電流過熱等異常形貌[11]。測試結(jié)果見圖5,對失效樣品進行化學(xué)開封,暴露出芯片DIE以及鍵合引線,在光學(xué)顯微鏡下觀察,芯片采用的鍵合絲是硅鋁絲,開封后保留完整,未見到脫落損壞等現(xiàn)象。芯片表面邊緣存在燒毀等異常形貌。說明器件使用過程中受到過壓或過流過熱等應(yīng)力沖擊[12]。

        圖5 失效器件開封測試結(jié)果正視圖(左)和放大圖(右)

        3.6 器件開封后SEM測試與分析

        下面通過SEM電鏡測試觀察,進一步對芯片內(nèi)部進行分析。如圖6所示,芯片表面及邊緣有黑色物質(zhì),芯片表面T1電極附近出現(xiàn)燒熔痕跡,且伴隨有圓形坑狀形貌。對器件化學(xué)腐蝕掉表面金屬電極,去掉鈍化層后,可以觀察到PN結(jié)交界處有熱熔等異常形貌[13]。此外芯片表面的其它區(qū)域未見有明顯的異常和缺陷,如圖7所示。

        圖6 失效器件電鏡S4EM測試結(jié)果

        圖7 失效器件去層后表面測試結(jié)果

        根據(jù)能譜EDS分析,見圖8,測試結(jié)果顯示芯片燒熔處主要成分為Si,O還有少量AL。芯片燒熔區(qū)域混合有SiO2塑封填充料成分,結(jié)合熔融形貌,判斷金屬和塑封料中球狀SiO2顆粒出現(xiàn)高溫互溶現(xiàn)象[14]。通過對器件進行外觀檢查、X射線檢查、無損開封、內(nèi)部目檢試驗后得出以下結(jié)論,該器件T1和T2兩端電極短路,可能由于過電應(yīng)力引起芯片出現(xiàn)局部燒熔后導(dǎo)致失效[15]。芯片內(nèi)部的燒痕斑點主要出現(xiàn)在PN結(jié)相鄰區(qū)域,當(dāng)芯片輸入端受到過電應(yīng)力時,正常門極觸發(fā)導(dǎo)通,導(dǎo)通區(qū)域不能迅速擴展,門極區(qū)域局部溫度將快速升溫,由于硅材料的比熱容和熱傳導(dǎo)率都比較小,當(dāng)輸入端的電流上升率迅速過大,PN結(jié)交接處就會因為過度的局部溫升而產(chǎn)生的熱量燒毀[16]。由瞬態(tài)過電應(yīng)力破壞器件的溫度主要集中在1100℃~1300℃之間,溫度低于硅熔點(1412℃)。這主要由兩種因素造成:其一是在導(dǎo)通區(qū)和未導(dǎo)通區(qū)之間存在很高的溫度梯度,能使硅片局部受到的熱應(yīng)力作用,造成硅片損壞;其二是,當(dāng)溫度超過600℃時,與硅片接觸的金屬電極就會與硅產(chǎn)生熔融的混合體,使器件發(fā)生短路。綜合以上分析結(jié)果可知,可控硅芯片內(nèi)部的損傷主要是過電應(yīng)力瞬間沖擊下導(dǎo)致。造成芯片過電失效的原因有很多,在PCB電路設(shè)計中,盡量減少電源本身所產(chǎn)生的干擾源對可控硅芯片造成的損傷,利用抑制干擾的方法或產(chǎn)生干擾較小的元器件和電路,并進行合理布局;其次是通過接地、濾波、屏蔽等技術(shù)抑制電源的EMI,主要包含以下設(shè)計:1)較少dv/dt和di/dt(降低其峰值、減緩其斜率);2)壓敏電阻的合理應(yīng)用,以降低浪涌電壓;3)阻尼網(wǎng)路抑制過沖;4)采用軟恢復(fù)特性的二極管,以降低高頻段EMI;5)有源功率因數(shù)校正,以及其他諧波校正技術(shù);6)采用合理設(shè)計的電源線濾波電器。

        圖8 芯片DIE表面成分EDS測試結(jié)果

        4 結(jié)語

        本文針對PCBA主控板上可控硅芯片SCR進行失效分析,通過I-V電學(xué)復(fù)測、X-Ray射線和C-SAM超聲以及SEM等失效分析測試設(shè)備,確定器件失效的模式,分析造成器件失效的機理,定位失效點并查找失效原因,并提出設(shè)計優(yōu)化建議。為PCBA電控板可靠性設(shè)計與失效分析提供了一定的參考依據(jù)。

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