黃正偉 王 浩 席 越

（南京六九零二科技有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

金屬陶瓷封裝PIN二極管因具有尺寸小、結電容低、功率容量高、切換速率快等優(yōu)點，在高速射頻與微波開關電路中具有不可替代的作用。然而該型PIN二極管由于其特殊的工藝、材料、結構等特點，在器件應用時，特別容易出現(xiàn)一定的早期失效，若處置不當，會給批量生產(chǎn)帶來不可預測的經(jīng)濟損失。如不正確的器件安裝，可能會導致引腳斷裂脫落，器件內的芯片、陶瓷電路片開裂等[1]。此外，元器件的焊接工藝對器件使用的可靠性起著至關重要的作用[2]。如果PIN二極管焊接質量不可控，如焊錫過少、焊點粗糙等，極易造成長時間使用時產(chǎn)生虛焊；而如果焊錫過多或焊接時間過長，可能會造成PIN二極管器件的老化損傷，給器件可靠性造成致命的危害[3]。

本文主要針對PIN二極管焊接過程中出現(xiàn)的失效現(xiàn)象進行分析，為排除早期故障提供指導。

1 焊接失效現(xiàn)象

金屬陶瓷封裝PIN二極管外形結構如圖1所示，整體結構呈現(xiàn)為金屬陶瓷管殼氣密封設計，非常適用于目前流行的表面貼裝工藝。兩端陰影部分為金屬材料焊接區(qū)域，中間白色部分為陶瓷材料密封區(qū)域。器件內部采用金屬柱體對芯片兩面進行頂饋式焊接，以此形成雙散熱通道，可以很好地滿足大功率低熱阻使用需求。該器件典型尺寸長度A一般在2.9～3.6 mm，長度B一般在2.6～3.3 mm，厚度C一般在1.9～2.4 mm。

金屬陶瓷PIN二極管的內部物理結構如圖2所示，內部PN結封裝在中心位置，其中I區(qū)是在P型結和N型結之間添加一種未摻雜的高阻本征半導體材料形成，可實現(xiàn)高功率、高耐壓、低電容等優(yōu)異的性能。

1.1 PIN二極管開短路失效事件

利用廠家提供的500只該型號PIN二極管進行上裝板卡驗證，經(jīng)常溫電應力測試，發(fā)現(xiàn)有9只出現(xiàn)開路現(xiàn)象，有1只出現(xiàn)短路現(xiàn)象，開路現(xiàn)象的測試條件如表1所示，短路現(xiàn)象的測試條件如表2所示。

表1 金屬陶瓷PIN二極管開路測試情況

由表1和表2可以看出，開路損壞二極管在正常工作電流下無正向電壓，短路損壞二極管在反向電壓下具有較大的反向電流。因此，常見的PIN二極管焊接失效一般有兩種情況：一種是短路，即P區(qū)和N區(qū)電勢相同，PN結連通；另一種是開路，即P區(qū)和I區(qū)完全隔開，I區(qū)呈現(xiàn)開路狀態(tài)，即PN結斷開。

表2 金屬陶瓷PIN二極管短路測試情況

1.2 焊接方法失效試驗

選取200只該型號PIN二極管分成4組，每組50只，A組采用低溫回流焊貼片，溫度最高280℃，最高溫度保持時間不超過5 s；B組采用手動焊接，焊接溫度為280℃，停留時間不超過5 s；C組采用低溫回流焊貼片，溫度最高360℃，最高溫度保持時間不超過5 s；D組采用手動焊接，焊接溫度為360℃，停留時間不超過5 s。對4組PIN二極管進行常溫電應力測試，測試結果如圖3所示。

結果分析可知，焊接溫度過高容易造成PIN二極管失效，而回流焊比手動焊接能使PIN二極管失效率更低。

2 焊接失效原因及分析

2.1 焊接開路分析

對用戶反饋的焊接開路的PIN二極管和正常PIN二極管進行開帽試驗分析對比，如圖4所示，正常情況下，PN結金屬鉬柱表面應呈金黃色，焊接開路的情況下，為銀白色。此外，經(jīng)X射線分析，如圖5所示，發(fā)生焊接開路現(xiàn)象的PIN管鍍金鉬柱上出現(xiàn)外部焊料回流重熔現(xiàn)象，鉬柱表面出現(xiàn)銀白色的金屬焊渣，因此可以判斷是外部的金屬焊料在燒結過程中融化流淌，并進入了管殼內部與鉬柱金屬等發(fā)生重熔，導致內部引腳部分脫落。重熔現(xiàn)象主要是因為焊接溫度過高產(chǎn)生，且可能出現(xiàn)了多次焊接，造成了內部焊錫重熔后部分脫落導致接觸不良，從而使PIN二極管整體產(chǎn)生開路現(xiàn)象。

2.2 焊接短路分析

將焊接短路的PIN二極管同樣用X射線照射，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)兩端鉬柱中間芯片位置出現(xiàn)導致短路的黑影，因此可判斷為管殼的金屬流向了鉬柱中間，產(chǎn)生了短路現(xiàn)象。發(fā)生該情況主要是由于在焊接時加錫過多，且溫度過高，使焊錫流向了內部，破壞了二極管PN結，焊錫連通了二極管正負極，產(chǎn)生了短路。

3 解決與預防措施

根據(jù)上節(jié)的討論，金屬陶瓷封裝PIN二極管對于焊接要求較高，為此，總結焊接注意事項如下：

手工焊接要求：焊接材料是錫（錫6/4合金含銀），在焊接前，可先用吹風機快速烘干器件，焊接時使電烙鐵邊緣溫度控制在300℃以內，務必在3 s內完成焊接，特殊要求最長不超過5 s。金屬陶瓷PIN二極管在手工焊接時一定不要破壞二極管的兩邊焊接點，焊點損傷會影響性能，造成開路或短路。

本器件一般建議使用回流焊，錫膏要求是融化溫度在190℃以內，含錫63%，含鉛37%，嚴格控制回流焊的焊接曲線，變溫速率不能太快，防止器件出現(xiàn)損傷。建議的回流焊曲線如圖7所示。

對于二次焊接，要特別注意：溫度要按照手工焊接的溫度，電烙鐵頭不能觸碰到PIN二極管的兩端金屬處，建議使用雙烙鐵頭快速焊接；焊接要戴防靜電腕帶或防靜電手套，避免靜電使結晶層損壞；焊接完成后注意清洗，使用無水乙醇擦拭、浸漬；時間在常溫下控制在3 min以內。

4 結語

（1）金屬陶瓷封裝PIN二極管在工程應用中出現(xiàn)的失效現(xiàn)象本質是PIN二極管內部PIN結開路或短路；

（2）金屬陶瓷封裝PIN二極管失效的原因主要是焊接工藝缺陷，包括焊接溫度與焊接停留時間的控制；

（3）金屬陶瓷封裝PIN二極管焊接時推薦低溫回流焊，焊接過程更容易把控，能有效降低失效的概率。