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引线式轴向塑封二极管可靠性研究与应用

作者:朱平安 项永金 张秀凤时间:2019-10-29来源:电子产品世界777彩票客户端

  朱平安 项永金 张秀凤格力电器(合肥)有限公司,(安徽 合肥 230088)

本文引用地址:http://777cpkhd.8hbs.com/article/201910/406446.htm

  摘?要:结合应用中引线式轴向塑封出现漏电及击穿失效问题,对引线式轴向塑封失效原因及封装结构进行深入剖析,经过对大量失效引线式轴向塑封深入分析确定失效主要原因为引线式轴向塑封二极管为单引线、大结构,本身抗能力差,引线、二极管本体在加工的过程中受的作用,二极管直接受到外力冲击产生裂纹,呈现正向压降不良及反向耐压衰降,在后续的通电过程中失效进一步加深,最终击穿失效。经过从各方面进行论证对比分析,双引线、小结构有很大的优势,开发新型双引线、小晶圆结构提高轴向塑封二极管抗能力,有效解决引线式轴向塑封二极管售后及过程机械应力失效问题。

  关键词:二极管;机械应力;钉头;晶圆;

  0 引言

  二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode),它是一种能够单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个晶圆、两个引线端子、封装材料,这种电子器件按照外加电压的方向,具备单向电流的传导性。二极管常用封装材料分析常见有玻璃封装,金属封装和塑料封装几种(如图1所示)。

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  二极管在电器产品控制系统中有广泛应用,主要应用在空调控制器主板上,二极管失效直接导致主板部分不能正常工作,严重影响产品质量。对二极管大量失效品深入分析研究及快速解决二极管过电失效尤为重要,研究二极管失效原因及失效机理,采取有效改善预防措施,具有非常重要意义。

  1 事件背景

  某空调企业控制器主板生产过程短时间内出现大比例的某型号引线式轴向塑封二极管电性能失效,统计1年因为该型号引线式轴向塑封二极管失效导致空调不能正常工作数量达到100多单,历史数据实际应用失效该型号引线式轴向塑封二极管多达300单,同时售后也有30多单故障反馈。该问题严重影响空调整体产品质量及用户实际体验效果。问题急需进行攻克解决。

  2 引线式轴向塑封二极管失效机理

  引线式轴向塑封二极管在生产成型的加工的过程中会受到各种不同方向的机械应力(如表1所示),通常受力情况如:加工过程引线未夹紧,在弯脚时产生轴向运动的拉力,而出现损坏芯片甚至出现引脚被拉出露铜或引线松动现象;因两端引线弯曲,而产生的引线向内做水平挤压运动,通常可以由焊片做缓冲吸收;引线在打弯脚初,因弯脚模块做90°转向而出现的摩擦运动会产生向外的拉力;弯脚成型同时,若此时夹具间有异物,夹引线的装置就夹不紧引线,导致产品有活动间隙,此时芯片处可能同时出现扭力、剪力、推力交互作用的状况,产品在此时易受损伤失效。

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  3 引线式轴向塑封二极管失效品分析

  3.1 无损分析

  查看失效品外管无明显异常点,使用二极管测试设备(测试设备型号:TVR6000)按照图纸测试条件测试故障件电性能参数,失效品的引线式轴向塑封二极管故障件的VF和 VB项参数均出现失效。部分引线式轴向塑封二极管失效品测试参数如表2所示。

  DE-CAP 分析

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  引线式轴向塑封二极管失效品引线、沾锡,印字清晰,外观正常,经电性测试呈现出SHORT,化学解析去除表面黑胶后结构焊接未见异常,去除铜脚架和焊锡后1 pcs 晶圆有裂缝、2 pcs 晶圆破裂(如表3所示)。部分二极管失效品DE-CAP分析图片如表3所示。

  从元件的失效模式看,造成二极管失效的原因为物料在加工的过程中受机械应力的作用,机械应力通过引脚、二极管本体直接作用到晶圆上,使晶圆受损横向裂开,呈现正向压降超标,反向耐压衰降,在后续的通电过程中发生不良。

  4 引线式轴向塑封二极管失效整改措施

  对比与失效引线式轴向塑封二极管同型号不同厂家引线式轴向塑二极管的抗机械应力能力参数,发现晶圆面积越大,受力面越大,抗机械应力能力较弱;双钉头结构引线的结构较单钉头结构引线抗机械应力能力强。同型号不同结构二极管抗机械应力能力对比如表4所示。

  通过对导致二极管出现异常的末端因素,并结合测试对比结果,落实对导致晶圆裂的相关项目落实改善控制,即需对涉及晶圆尺寸大小引线结构等各方面进行优化改善。具体改善项目如下:

  ①将引线式轴向塑封二极管内部晶圆尺寸由70 mil更改为60 mil,减少晶圆受力面积;

  ②将引线式轴向塑封二极管内部引线结构由单钉头更改为双钉头结构,避免成型过程中引脚、二极管受到的机械应力直接冲击晶圆,增强二极管本身的抗机械应力能力。

  5 整改效果评估及应用效果验证

  通过对引线式轴向塑封二极管内部晶元尺寸由70mil更改为60 mil、引线结构由单钉头更改为双钉头结构,对新制品各个实验条件后进行电性能参数测试均符合图纸要求,测试数据如表5所示。

  6 引线式轴向塑封二极管失效整改总结及意义

  经过对过程及售后大量失效品分析,确定引线式轴向塑封二极管出现漏电及击穿失效问题,对引线式轴向塑封二极管失效原因及器件封装结构进行深入剖析,发现器件引线结构、工艺晶元大小存在严重质量缺陷,经过对大量失效引线式轴向塑封二极管深入分析确定失效主要原因为引线式轴向塑封二极管为单钉头引线、大晶圆结构,本身抗机械应力能力差,引线、二极管本体在加工的过程中受机械应力的作用,使晶圆受损横向裂开,呈现正向压降不良及反向耐压衰降,在后续的通电过程中发生不良,导致空调出现故障。

  本文对二极管失效原因、失效机理、元器件结构等进行详细分析确定元器件结构设计存在的问题,针对问题逐一找到可靠有效的解决方案, 经过从各方面进行对比分析,调整元器件结构设计改变引线式轴向塑封二极管钉结构、晶圆大小,提高引线式轴向塑封二极管本身抗机械应力能力,整改思路从元器件结构进行优化升级,从而有效改善产品质量,提高产品应用

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  参考文献

  [1] 项永金. 快恢复二极管铜迁移失效机理及应用研究 [J]. 电子产品世界,2017 (5):

  [2] 蒲晓明. 电子元器件的失效模型与可靠性试验方法解析 [J]. 科技创新与应用,2016 (23);

  [3] 夏远飞,刘勇. 半导体分立器件的失效分析及预防措施 [J]. 中国测试,,2012(6):

  [4] [崔海燕. 二极管在整流电路中的应用 [J]. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2011 (12).

  作者简介:

  朱平安(1984—),男,助理工程师,研究方向:二极管可靠性研究

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第11期第72页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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