乾貨|電感、半導體器件的失效機理分析

2020-08-03 18:40:12 admin 235

電子元器件的主要失效模式包括但不限於開路、短路、燒毀、爆炸、漏電、功能失效、電參數漂移、非穩定失效等。對於硬體工程師來講電子元器件失效是個非常麻煩的事情,比如某個半導體器件外表完好但實際上已經半失效或者全失效會在硬體電路調試上花費大把的時間,有時甚至炸機。

 

所以掌握各類電子元器件的實效機理與特性是硬體工程師比不可少的知識。下麵分類細敘一下各類電子元器件的失效模式與機理。

 

上一期,我們已經分析過電阻器和電解電容的失效機理,今天,我們再來看下電感、半導體器件的失效機理。

 

 

【電感失效分析】

 

電感器失效模式:電感量和其他性能的超差、開路、短路

 

模壓繞線片式電感失效機理:

1.磁芯在加工過程中產生的機械應力較大,未得到釋放

 

2.磁芯內有雜質或空洞磁芯材料本身不均勻,影響磁芯的磁場狀況,使磁芯的磁導率發生了偏差;

 

3.由於燒結後產生的燒結裂紋;

 

4.銅線與銅帶浸焊連接時,線圈部分濺到錫液,融化了漆包線的絕緣層,造成短路;

 

5.銅線纖細,在與銅帶連接時,造成假焊,開路失效

 

1、耐焊性

 

低頻片感經回流焊後感量上升 《 20%

 

由於回流焊的溫度超過了低頻片感材料的居裏溫度,出現退磁現象。片感退磁後,片感材料的磁導率恢復到最大值,感量上升。一般要求的控制範圍是片感耐焊接熱後,感量上升幅度小於20%。

 

耐焊性可能造成的問題是有時小批量手工焊時,電路性能全部合格(此時片感未整體加熱,感量上升小)。但大批量貼片時,發現有部分電路性能下降。這可能是由於過回流焊後,片感感量會上升,影響了線路的性能。在對片感感量精度要求較嚴格的地方(如信號接收發射電路),應加大對片感耐焊性的關注。

 

檢測方法:先測量片感在常溫時的感量值,再將片感浸入熔化的焊錫罐裏10秒鐘左右,取出。待片感徹底冷卻後,測量片感新的感量值。感量增大的百分比既為該片感的耐焊性大小

 

2、可焊性

 

電鍍簡介

當達到回流焊的溫度時,金屬銀(Ag)會跟金屬錫(Sn)反應形成共熔物,因此不能在片感的銀端頭上直接鍍錫。而是在銀端頭上先鍍鎳(2um 左右) ,形成隔絕層,然後再鍍錫(4-8um )。

 

可焊性檢測

將待檢測的片感的端頭用酒精清洗乾淨,將片感在熔化的焊錫罐中浸入4秒鐘左右,取出。如果片感端頭的焊錫覆蓋率達到90%以上,則可焊性合格。

 

可焊性不良

1)端頭氧化:當片感受高溫、潮濕、化學品、氧化性氣體(SO2、NO2等)的影響, 或保存時間過長,造成片感端頭上的金屬Sn氧化成SnO2,片感端頭變暗。由於SnO2不和Sn、 Ag、Cu等生成共熔物,導致片感可焊性下降。片感產品保質期:半年。如果片感端頭被污染,比如油性物質,溶劑等,也會造成可焊性下降

 

2)鍍鎳層太薄,吃銀:如果鍍鎳時,鎳層太薄不能起隔離作用。回流焊時,片感端頭上的Sn和自身的Ag首先反應,而影響了片感端頭上的Sn和焊盤上的焊膏共熔,造成吃銀現象,片感的可焊性下降。

 

判斷方法:將片感浸入熔化的焊錫罐中幾秒鐘,取出。如發現端頭出現坑窪情況,甚至出現瓷體外露,則可判斷是出現吃銀現象的。

 

3、焊接不良

 

內應力

如果片感在製作過程中產生了較大的內部應力,且未採取措施消除應力,在回流焊過程中,貼好的片感會因為內應力的影響產生立片,俗稱立碑效應。

 

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判斷片感是否存在較大的內應力,可採取一個較簡便的方法:

 

取幾百只的片感,放入一般的烤箱或低溫爐中,升溫至230℃左右,保溫,觀察爐內情況。如聽見劈劈叭叭的響聲,甚至有片子跳起來的聲音,說明產品有較大的內應力。

 

元件變形

如果片感產品有彎曲變形,焊接時會有放大效應。

 

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焊接不良、虛焊

 

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焊接正常

 

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焊盤設計不當

 

a.焊盤兩端應對稱設計,避免大小不一,否則兩端的熔融時間和潤濕力會不同

b.焊合的長度在0.3mm以上(即片感的金屬端頭和焊盤的重合長度)

c.焊盤餘地的長度儘量小,一般不超過0.5mm。

d.焊盤的本身寬度不宜太寬,其合理寬度和MLCI寬度相比,不宜超過0.25mm

 

貼片不良

當貼片時,由於焊墊的不平或焊膏的滑動,造成片感偏移了θ角。由於焊墊熔融時產生的潤濕力,可能形成以上三種情況,其中自行歸正為主,但有時會出現拉的更斜,或者單點拉正的情況,片感被拉到一個焊盤上,甚至被拉起來,斜立或直立(立碑現象)。目前帶θ角偏移視覺檢測的貼片機可減少此類失效的發生

 


 

 

 

 

焊接溫度

回流焊機的焊接溫度曲線鬚根據焊料的要求設定,應該儘量保證片感兩端的焊料同時熔融,以避免兩端產生潤濕力的時間不同,導致片感在焊接過程中出現移位。如出現焊接不良,可先確認一下,回流焊機溫度是否出現異常,或者焊料有所變更。

 

電感在急冷、急熱或局部加熱的情況下易破損,因此焊接時應特別注意焊接溫度的控制,同時盡可能縮短焊接接觸時間

 

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回流焊推薦溫度曲線

 

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手工焊推薦溫度曲線

 

4、上機開路

 

虛焊、焊接接觸不良

從線路板上取下片感測試,片感性能是否正常

 

電流燒穿

如選取的片感,磁珠的額定電流較小,或電路中存在大的衝擊電流會造成電流燒穿,片感或磁珠 失效,導致電路開路。從線路板上取下片感測試,片感失效,有時有燒壞的痕跡。如果出現電流燒穿,失效的產品數量會較多,同批次中失效產品一般達到百分級以上。

 

焊接開路

回流焊時急冷急熱,使片感內部產生應力,導致有極少部分的內部存在開路隱患的片感的缺陷變大,造成片感開路。從線路板上取下片感測試,片感失效。如果出現焊接開路,失效的產品數量一般較少,同批次中失效產品一般小於千分級。

 

5、磁體破損

 

磁體強度

片感燒結不好或其他原因,造成瓷體強度不夠,脆性大,在貼片時,或產品受外力衝擊造成瓷體破損

 

附著力

如果片感端頭銀層的附著力差,回流焊時,片感急冷急熱,熱脹冷縮產生應力,以及瓷體受外力衝擊,均有可能會造成片感端頭和瓷體分離、脫落;或者焊盤太大,回流焊時,焊膏熔融和端頭反應時產生的潤濕力大於端頭附著力,造成端頭破壞。

 

片感過燒或生燒,或者製造過程中,內部產生微裂紋。回流焊時急冷急熱,使片感內部產生應力,出現晶裂,或微裂紋擴大,造成瓷體破損。

 

 

【半導體器件失效分析】

 

半導體器件失效分析就是通過對失效器件進行各種測試和物理、化學、金相試驗,確定器件失效的形式(失效模式),分析造成器件失效的物理和化學過程(失效機理),尋找器件失效原因,制訂糾正和改進措施。加強半導體器件的失效分析,提高它的固有可靠性和使用可靠性,是改進電子產品品質最積極、最根本的辦法,對提高整機可靠性有著十分重要的作用。

 

半導體器件與使用有關的失效十分突出,占全部失效器件的絕大部分。進口器件與國產器件相比,器件固有缺陷引起器件失效的比例明顯較低,說明進口器件工藝控制得較好,固有可靠性水準較高。

 

1、與使用有關的失效

 

與使用有關的失效原因主要有:

 

過電應力損傷、靜電損傷、器件選型不當、使用線路設計不當、機械過應力、操作失誤等。

 

①過電應力損傷。過電應力引起的燒毀失效占使用中失效器件的絕大部分,它發生在器件測試、篩選、安裝、調試、運行等各個階段,其具體原因多種多樣,常見的有多餘物引起的橋接短路、地線及電源系統產生的電浪湧、烙鐵漏電、儀器或測試臺接地不當產生的感應電浪湧等。按電應力的類型區分,有金屬橋接短路後形成的持續大電流型電應力,還有線圈反沖電動勢產生的瞬間大電流型電應力以及漏電、感應等引起的高壓小電流電應力;按器件的損傷機理區分,有外來過電應力直接造成的PN結、金屬化燒毀失效,還有外來過電應力損傷PN結觸發CMOS電路閂鎖後引起電源電流增大而造成的燒毀失效。

 

②靜電損傷。嚴格來說,器件靜電損傷也屬於過電應力損傷,但是由於靜電型過電應力的特殊性以及靜電敏感器件的廣泛使用,該問題日漸突出。靜電型過電應力的特點是:電壓較高(幾百伏至幾萬伏),能量較小,瞬間電流較大,但持續時間極短。與一般的過電應力相比,靜電型損傷經常發生在器件運輸、傳送、安裝等非加電過程中,它對器件的損傷過程是不知不覺的,危害性很大。從靜電對器件損傷後的失效模式來看,不僅有PN結劣化擊穿、表面擊穿等高壓小電流型的失效模式,也有金屬化、多晶矽燒毀等大電流失效模式。

 

③器件選型不當。器件選型不當也是經常發現的使用問題引起失效的原因之一,主要是設計人員對器件參數、性能瞭解不全面、考慮不周,選用的器件在某些方面不能滿足所設計的電路要求。

 

④操作失誤。操作失誤也是器件經常出現的失效原因之一,例如器件的極性接反引起的燒毀失效等。

 

2、器件固有缺陷引起的失效

 

與器件固有缺陷有關的失效原因主要有:表面問題、金屬化問題、壓焊絲鍵合問題、晶片鍵合問題、封裝問題、體內缺陷等。在這幾種原因中,對器件可靠性影響較大的是表面問題、鍵合問題和粘片問題引起的失效,它們均帶有批次性,且經常重複出現。

 

(1) 表面問題

從可靠性方面考慮,對器件影響最大的是二氧化矽層內的可動正離子電荷,它會使器件的擊穿電壓下降,漏電流增大,並且隨著加電時間的增加使器件性能逐漸劣化。有這種缺陷的器件用常規的篩選方法不能剔除,對可靠性危害很大。此外,晶片表面二氧化矽層中的針孔對器件可靠性的影響也較大。有這種缺陷的器件,針孔剛開始時往往還有一層極薄的氧化層,器件性能還是正常的,還可順利通過老煉、篩選等試驗,但長期使用後由於TDDB效應和電浪湧的衝擊,針孔就會穿通短路,引起器件失效。

 

(2) 金屬化問題

引起器件失效的常見的金屬化問題是臺階斷鋁、鋁腐蝕、金屬膜劃傷等。對於一次積體電路,臺階斷鋁、鋁腐蝕較為常見:對於二次積體電路來說,內部金屬膜電阻在清洗、擦拭時被劃傷而引起開路失效也是常見的失效模式之一。

 

(3) 壓焊絲鍵合問題

常見的壓焊絲鍵合問題引起的失效有以下幾類。

 

①壓焊絲端頭或壓焊點沾汙腐蝕造成壓焊點脫落或腐蝕開路。

 

②外壓焊點下的金層附著不牢或發生金鋁合金,造成壓焊點脫落。

 

③壓焊點過壓焊,使壓焊絲頸部斷開造成開路失效。

 

④壓焊絲弧度不夠,與晶片表面夾角太小,容易與矽片棱或與鍵合絲下的金屬化鋁線相碰,造成器件失效。

 

(4) 晶片鍵合問題

最常見的是晶片粘結的焊料太少、焊料氧化、燒結溫度過低等引起的開路現象。晶片鍵合不好,焊料氧化發黑,導致晶片在"磁成形"時受到機械應力作用後從底座抬起分離,造成開路失效。

 

(5) 封裝問題

封裝問題引起的失效有以下幾類。

 

①封裝不好,管殼漏氣,使水汽或腐蝕性物質進入管殼內部,引起壓焊絲和金屬化腐蝕。

 

②管殼存在缺陷,使管腿開路、短路失效。

 

③內塗料龜裂、折斷鍵合鋁絲,造成器件開路或暫態開路失效。這種失效現象往往發生在器件進行高、低溫試驗時。

 

(6) 體內缺陷

半導體器件體內存在缺陷也可引起器件的結特性變差而失效,但這種失效形式並不多見,而經常出現的是體內缺陷引起器件二次擊穿耐量和閂鎖閾值電壓降低而造成燒毀。