作者/ 项永金 格力电器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)
项永金(1988-)，男，助理工程师，研讨方向：半导体器材及功率器材可靠性剖析与研讨整改。
摘要：变频空调操控器柜机主板在出产进程呈现许多IPM迸裂失效 ，IPM炸失效同步自举二极管失效，方位不会集，对主板进行剖析，承认是IPM自举电路升压二极管反常导致IPM迸裂失效，通过对许多失效二极管及全检反常二极管剖析，剖析研讨成果表明：二极管因为晶圆规划工艺结构缺点、焊接工艺问题，导致晶圆焊接时产生高温铜搬迁，抗机械应力水平下降，在实践运用中又因为器材引脚跨距规划不合理导致器材受机械应力影响加深失效程度，终究呈现过电击穿失效，经许多的计划剖析验证终究承认可行的计划，有用处理二极管铜搬迁失效。从器材本身进步器材的运用可靠性。
导言
快康复二极管简称FRD，内部结构与一般二极管不同，归于PIN结型二极管，即在P型硅资料与N型硅资料中心添加基区，构成硅片，因为基区很薄，反向康复电荷小，所以快康复二极管的反向康复时间很短，正向压下降，反向击穿电压高。该二极管在电器产品操控系统中广泛运用，首要运用在空调主板开关电源及压缩机驱动操控逆变电路中，二极管失效直接导致主板电源部分不能正常作业，严峻影响产品质量，A企业出产进程短时间内呈现大比例的IPM炸失效，通过许多信息计算及电路规划方面排查剖析，是二极管反常导致，该问题严峻影响我司产品质量，一段时间内一向都没有找到失效原因，对二极管许多失效品深化剖析研讨及快速处理二极管过电失效尤为重要，研讨二极管失效原因及失效机理，采纳有用改进预防措施，具有十分重要意义。
1 二极管高温铜搬迁失效产生原理
快康复二极管由两部分组成，即二极管硅晶圆和杜美丝铜引线部分，晶圆与杜美丝采纳高温焊接后进行树脂封装成型，硅晶圆首要物质成分SiO2，铜在SiO2中分散速度很快，并且铜是硅的深能级受主杂质，分散到Si中并在Si的禁带中构成几个深能级受主能级，这些能级会充任产生复合中心或圈套而改动非平衡少子的浓度与寿数，假如二极管在制作进程中工艺规划不妥，硅晶圆与杜美丝之间实践没有有用掩盖阻挡层，在高温焊接进程中就或许会产生铜搬迁，规划有必要确保硅晶圆与铜引线之间构成有用隔绝层，隔绝铜原子搬迁与Si产生反响，铜搬迁产生原理及产生反响进程如图1所示，Si能够和许多金属构成化合物，二极管晶圆焊接实践运用是现在最通用的杜美丝(铜引线)，当铜因为遭到高温焊接或是高温环境时易产生铜原子搬迁，假如二极管工艺结构规划没有对铜与硅晶圆之间采纳有用的隔绝，在高温环境下铜原子会产生搬迁，并从3方位沟道侵入到Si晶圆外表，并与Si产生反响生成硅酮化合物(硅化铜)Cu3Si、Cu4Si。硅化铜功能差电阻率高，会导致二极管漏电流增大(原极与漏极浅结处产生漏电流)，晶元与杜美丝结合力大幅度下降。
2 快康复二极管运用电路作业进程及器材失效剖析
2.1 快康复二极管运用电路作业进程
主板失效表现为IPM迸裂失效，通过对失效主板进行检测剖析及许多信息搜集，承认二极管、IPM等失效会集在DCT测验工序上电瞬间，压缩机未发动即呈现失效，接下来简略剖析逆变电路上电瞬间作业进程。电路作业简图如图2所示。
二极管失效会集IPM自举电路，对IPM自举电路作业原理及进程进行剖析，电压自举抬升便是运用电路本身产生比输入电压更高的电压，本质是运用电容两头电压不能瞬间骤变通过对电路进行调理操控来改动电路某点的瞬时电位，自举电路一般由四部分组成，即电源供电部分、自举电阻、自举二极管和自举电容。
2.2 作业进程
系统初始在上电瞬间自举电容两头电压为零，假如IPM需求正常发动作业，驱动电路VCC就需求正常供电，初始化时没有电压，在IPM作业前，需求对自举电容进行充电，通过操控驱动信号满足脉冲数量，准确操控IGBT注册，将电容两头电压抬升至方针电压，详细作业进程为：在上电瞬间需求对自举电容进行充电，下桥臂的IGBT注册将对应相输出电压拉低到地，电源通过自举电阻、自举二极管对电容进行充电。
当上桥IGBT注册时，输出电压再次升至母线电压水平。电容两头电压因不能骤变，两头电压仍保持在供电电压水平，一起给IGBT驱动供给电压。自举二极管反向截止，将弱电电源部分与母线电压有用隔绝，防止强电导入弱电击穿电路器材，以上是单个循环，后续循环往复进行。
电路剖析成果表明，通过对IPM自举电路初始上电作业瞬间作业原理及作业进程进行剖析发现，在电路开端作业之前系统初始化阶段，下桥IGBT敞开自举%&&&&&%充电进程二极管接受电压最小，二极管不会存在过压失效或许，上桥IGBT敞开进程二极管此刻起到强弱电的有用隔绝，两头接受电压最大，除IPM外为此电路接受电压冲击频率最大器材，假如器材因各种要素导致反向耐压偏低极易呈现器材反向耐压缺乏击穿失效。导致内部IGBT注册反常急剧发热迸裂，所以通过对失效主板剖析及器材运用电路剖析判断，二极管反常导致炸板，通过实践模仿验证二极管耐压偏低的确能够导致模块炸失效，与下线毛病现象共同。
2.3 二极管X光透射、电镜扫描剖析
通过对失效二极管进行X光透射剖析，二极管晶元与杜美丝之间焊接部分有焊料消融外延痕迹，先烧裂后破损。是消融硅向外延升，运用电镜扫描能够看到有钎料消融痕迹，二极管X光透射与电镜扫描剖析图片如图3所示。
2.4 开封解析
二极管失效通过剖析一向是机械应力导致失效，出产进程问题，后采纳大比例对反常批次二极管进行全检，来料全检发现多单二极管反向漏电流严峻超支，实测值在1000MA以上，二极管全检反常品未进行强电测验，对全检漏电流超支二极管进行开封解析相同存在晶元裂纹，将二极管寄给安森美剖析承认晶圆相同有裂纹，开封解析及电镜扫描图如图4所示。
2.5 二极管晶圆裂纹产生机械应力影响剖析
排查二极管自插环节设备发现，二极管插装后引脚存在严峻的应力，两头引脚严峻变形。有内应力损害问题，一般规划要求主张打点方位中心点到元件本体旁边面的间隔在1.5～2倍的D(本体直径)，实践主板引脚跨距是1:1的尺度。一般二极管引线跨距规划要求，引线直径在0.7-0.8，弯脚点离本体间隔最小要在3.5左右，下线机型会集在运用了PCB 37002488的机型上面，失效方位会集在IPM(D18-D20)傍边，而在开关电源电路D701傍边该二极管失效较少;依据对PCB板图纸的排查，同一款PCB：IPM(D18-D20)距离为10.16mm,而电源电路D701却为13.6mm。
依照IPM(D18-D20)距离为10.16mm，达不到此要求，若是弯角时细微受力再通过波峰焊的效果更简单出问题了;剖析断定，部分PCB 35030124二极管插装距离规划不符合厂家引荐的插装距离要求，也不符合我司规范封装库35030124 13.5mm要求。
二极管插装前剪脚没有固定引脚进行成型，导致二极管插装后左右引脚成型不良，实践设备无法确保，存在应力危险。
二极管运用PCB板规划引脚之间插装跨距规划不合格要求，跨距偏小，导致自插受力危险大。
3 影响二极管高温铜搬迁产生要素剖析
3.1 温度
铜产生铜原子并产生搬迁温度大约是从350°开端，温度越高铜原子运动越活泼，搬迁速率越快，受温度影响很大，该快康复二极管晶圆实践焊接温度370°，存在铜原子搬迁条件。焊接温度是很重要影响要素出产时必定留意温度的操控。
3.2 引线焊接原料
二极管晶圆焊接运用的引线是铜原料，铜原料相对铝原料导热功能好、电阻率低、热膨胀系数小、熔点高。可是运用铜原料引线就防止不了铜原子产生及搬迁。
3.3 硅晶圆外表维护隔绝层掩盖不到位
二极管晶圆外表未构成有用的维护隔绝层，规划应确保晶圆外表特别是边际方位有必要有用掩盖防止呈现晶圆边际方位因为封沟规划、或是制作进程呈现问题导致硅晶圆实践没有有用的掩盖，为铜原子搬迁与硅产生反响供给足够条件。
4 二极管高温铜搬迁失效处理计划
二极管过电失效通过剖析是二极管晶圆焊接产生高温铜搬迁失效，防止铜搬迁产生有用手法通过在硅与铜直接建立起有用的隔绝层，一般办法是铜引线部分运用镍进行镀层，防止铜原子搬迁，二极管晶圆外表构成有用维护层，能够有用隔绝搬迁过来铜原子，防止产生复原化学反响。铜硅之间添加活性差的难溶金属SiN、Ta、Ti等。
通过许多试验验证终究承认铜搬迁整改计划，详细整改计划如下。
4.1 改进晶圆的规划结构
有用封住晶圆上的裸漏部分沟道，延伸掩盖长度，即便有铜搬迁，也不会流到硅外表，然后根绝生成硅化铜。在晶片外表金属层添加覆蓋面到 45μm 然后加强二极管抗压才能。 整改计划如图5所示。
4.2 添加铜引线隔绝防护层
二极管的引脚添加NI层，使在焊接进程中不会产生铜原子搬迁。并起到隔热效果。
4.3 PCB跨距整改成果
安森美35030124二极管MUR180E呈现炸板反常问题，通过排查剖析发现二极管方位引脚跨距存在差异，会添加器材受力或许， 通过排查剖析评价后将D18、D19、D20封装焊盘距离进行优化，将距离由10.16mm更改为13.5mm。
5 定论
通过将许多进程失效及全检失效二极管剖析，承认全检制品也有存在晶元有裂纹反常。终究承认二极管失效是厂家出产进程晶元与杜美丝焊接工序存在问题，引脚(铜质)上的铜在370度的焊接温度下(在代工厂压接进程中)，铜原子搬迁到晶圆外表，并生成硅化铜，然后导致器材漏电流增大。导致失效的原因是“铜搬迁”，因为产生铜搬迁导致晶元与杜美丝结合力大幅度下降，出产进程呈现晶元受外在机械应力产生裂纹，后在制作运用进程再次自插剪脚受力导致裂纹程度加剧，在整机通电后因器材电功能衰降反向耐压缺乏导致二极管击穿失效，强电直接引进弱电导致模块与其他器材过电击穿失效迸裂。针对二极管铜搬迁采纳对晶圆外表添加延伸掩盖面积至45μm及引线镀镍有用处理铜原子搬迁与硅产生复原反响，处理二极管高温铜搬迁失效不良。
参考文献:
[1]曹博.铜硅系统的分散和界面反响[D]兰州大学,2008.
[2]曹博,包良满,李公正,等.Cu/SiO_2/Si(111)系统中Cu和Si的分散及界面反响[J].物理学报,2006,55(12):6550-6555.
本文来源于《电子产品世界》2017年第5期第51页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
