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2020-04-13

微波器件模块组件板焊剂锡膏清洗剂合明科技分享:微波器件失效分析结果汇总与分析

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:136

微波器件模块组件板焊剂锡膏清洗剂合明科技分享:微波器件失效分析结果汇总与分析


摘要


对约 50例微波器件失效分析结果进行了汇总和分析 ,阐述了微波器件在使用中失效的主要原因、分类及其分布。汇总情况表明 ,由于器件本身质量和可靠性导致的失效约占 80% ,其余 20%是使用不当造成的。在器件本身的质量和可靠性问题方面 ,具体失效机理有引线键合不良、芯片缺陷 (包括沾污、裂片、工艺结构缺陷等 )、芯片粘结、管壳缺陷、胶使用不当等 ;在使用不当方面 ,主要是静电放电 ( ESD )损伤和过电损伤 ( EOS ) , EOS损伤中包括输出端失配、加电顺序等操作不当引入的过电应力等。


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1  引言


随着现代电子技术的发展 ,电子系统的工作频率越来越高 ,微波器件在各种领域中的应用范围越来越广 ,而在使用过程中遇到的质量和可靠性问题也日益增多 ,有些已经给生产方和使用方造成了巨大的经济损失。近几年来 ,电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室受使用方和生产方的委托 ,承担了大量的微波器件、电路及组件的失效分析工作 ,本文总结了其中 56个实例 ,通过汇总分析 ,探讨微波器件的主要失效模式及失效原因 ,以及如何在制造工艺、来料检验和分析、使用操作等方面采取优化改进措施 ,从而达到降低微波器件的失效概率 ,提高整机系统的可靠性的目的。


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2  器件分类与来源汇总


2. 1  器件类型分类


微波器件可以按功能、频率、封装和预定用途等多种因素进行分类。由于微波器件的失效模式和原因往往与器件的工艺和结构相关 ,因此在后面的汇总分析中 ,主要按制造工艺进行分类: 第一类是微波分立器件 (即通常所说的管子 ) ,第二类是微波单片电路 ( MMIC) ,主要是砷化镓单片电路 ,第三类是微波组件和模块 ,包括采用封装器件以及裸芯片组成的各种微波混合电路和功能模块。56个分析实例中 ,共有失效样品 144只。其中分立器件 20批、 59只失效样品;单片电路 8批、 24只失效样品;组件和模块最多 ,有 28批、失效样品61只 (图 1)。

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图 1 分析实例器件类型汇总


2. 2  器件来源分类


图 2是器件来源的汇总数据。从图中可以看到 ,总数 56批中 ,进口器件是 19批次 ,约占总批次的 34% ; 失效样 品有 41只 ,约 占总 样品 数的28. 5% 。其中进口分立器件 5批、 21只失效品;单片电路 (塑封 ) 3批、 5只失效品;组件和模块 11批、 15只失效品。进口器件主要是整机系统单位使用 ,器件失效直接影响到整机系统的可靠性 ,应引起高度重视。

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图 2  样品来源汇总


3  失效模式和失效原因分类


3. 1  失效模式分类汇总


不同器件如分立器件、单片电路和组件的具体失效模式不同 ,都在总体上可分为功能失效和特性退化两大类 ,功能失效具体又包括输入或输出短路或开路、无功率输出、控制功能丧失等;特性退化具体有输出功率或增益下降、损耗增大、控制能力下降、饱和电流下降、 PN结特性退化等。


图 3是失效模式的汇总图。从图中看到 ,本次汇总的 56例失效分析中 , 32例的样品是功能失效 ,18例的样品是特性退化 , 6例是既有功能失效 ,又有特性退化。从总样品数 144来看 ,功能失效的为104只 ,约占总样品数的 72. 2% ;特性退化的为 40只 ,约占27. 8%。总的来看 ,功能失效是主要的失效模式。


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图 3  失效模式汇总


3. 2  失效原因汇总分析


确定失效原因和失效机理是失效分析的主要目的 ,只有准确地找到失效原因 ,才能在以后的生产和使用过程中有针对性地进行改进和防范 ,消除或减少失效的再发生 ,保证整机和系统的可靠性。


图 4是失效原因总的分类汇总图。汇总情况表明 ,失效原因有两大类: 一类是器件本身的质量和可靠性问题 ,具体失效机理有引线键合不良、芯片缺陷 (包括沾污、裂片、工艺结构缺陷等 )、芯片粘结、管壳缺陷、胶使用不当等;另一类是使用不当导致的器件失效 ,简单分为静电放电 ( ESD)损伤和过电损伤 ( EOS) , EOS损伤中包括输出端失配、加电顺序等操作不当引入的过电应力等。

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图 4  失效原因批次汇总


56个实例中 ,由于器件本身质量和可靠性导致的失效为 45批次 ,约占 80% ,样品数为 105,约占70% ; 因使用不当导致的失效有 11个批次 ,约占20% ,共 41只样品 ,约占 30% (有时 ,同一批次的样品或同一样品有两种以上的失效原因 )。因此 ,由于器件本身缺陷导致的失效比例远高于使用不当导致的失效。


图 4是失效原因的汇总图。从汇总结果看出 ,器件本身缺陷排在前三位的依次是芯片缺陷、引线键合不良以及芯片粘结不良 ,分别占总批次的22%、 17%和 14% ,合计为 53% ,超过一半。而使用原因引起的失效主要是过电应力 ( EOS)失效 ,如操作不当 ,输出失配、自激振荡等。


另外 ,由于器件的类型不同 ,各种器件的失效原因所占比例又有所不同。


3. 2. 1  分立器件失效原因汇总分析 


图 5(a)是分立器件的失效原因汇总图。从中可以看到 ,对分立器件来说 ,主要失效原因依次是芯片缺陷、芯片粘结、管壳缺陷以及引线键合 ,分别占分立器件总批次的 33%、 25%、 17%和 13% ,其中管壳缺陷是微波脉冲功率器件使用失效的主要原因。由于管壳氧化铍陶瓷与钨铜散热底座之间存在大面积粘结空洞(见图 6) ,散热性能不良 ,导致器件在工作时发生热电击穿失效。


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图 5  单管和单片电路的失效原因汇总: (a)分立器件;( b )单片电路微波器件组件焊剂锡膏清洗剂合明科技,微信图片_20200413090914.png

图 6  微波功率管管壳粘结空洞 (箭头所指区域为空洞 ): ( a ) 声学扫描像 ; ( b ) 光学显微像 ; ( c ) 剖面的 SEM 像


3. 2. 2  单片电路失效原因汇总分析 


图 5( b)是单片电路 (主要是 GaAs单片或多芯片电路 )失效原因的汇总情况。从图中可以看出 ,芯片缺陷、静电( ESD)损伤和过电应力是单片电路的三大主要失效原因 ,各占单片总批次的 30% 。由于 GaAs电路本身的原因 ,器件的抗静电和抗过电能力相对硅器件都很弱 ,多数单片电路的静电放电敏感度 ( ESD)在 300~ 500 V(人体模型 HBM)的范围。因此 ,使用过程中防静电和过电应力的保护措施非常重要。尤其是静电损伤具有潜在性和累积性的特点 ,即器件在受到静电损伤后并不马上失效 ,而会在以后的加电工作中突发失效;或者一次轻微的静电放电后不失效 ,但多次经历后会突然失效。这些失效如果发生在上机工作时 ,无疑会造成很大的损失。因此 ,在操作单片电路全过程中 ,如生产、测试、运输、安装和调试 ,必须采用全方位的静电防护措施。图 7是典型的 MM IC的 ESD损伤形貌。

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图 7  MM IC的 ESD损伤典型图片: (a) 电容损伤; (b) FET沟道损伤 ; (c) 电阻损伤


3. 2. 3  组件和模块失效原因汇总分析

  

组件和模块的委托批较多 ,失效原因种类也多。图 8是组件和模块的失效原因汇总结果。从图中可以看到 ,使用方面 ,主要是操作不当或外电路匹配引起的过电应力 ( EOS)失效。从组件本身的质量看 ,主要的失效原因按批次依次为引线键合、保护胶加固、芯片缺陷、芯片粘结、线圈脱落等 ,它们所占比例分别为30. 8% 、15. 4%、 15. 4%、 11. 5% 和 11. 5% 。这与罗姆航空发展中心收集的混合电路的数据比较一致(见图 9) ,从图 9中看到 ,混合电路中 ,有源器件芯片和引线键合引起的失效占据第 1、 2位;但芯片贴装只排在第 7位占 1. 8% ,而文中的数据显示 ,国产组件和模块的芯片粘结问题比较严重 ,比例占10% ,急需生产厂家进行工艺改进和提高。图 10是几种主要失效模式的典型图片。


组件和模块中引线键合的失效比例特别高 ,主要表现为键合丝从微带线上脱落导致器件失效。在陶瓷或 PCB基板的金导带上键合引线是混合电路中的一个工艺难点 ,既有金丝键合时温度、应力、时间等条件的优化问题 ,涉及基板上金导带的制造工艺 ,如电镀条件的优化、表面微结构状态、表面处理、工艺沾污等问题。


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图 8  分析中心的混合电路失效原因分类

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 图 9  罗姆航空发展中心的混合电路失效原因分类


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图 10  微波组件的主要失效模式的典型图片: ( a ) 引线不良键合 ; ( b ) 金带导电胶粘结 ; ( c ) 电感线圈脱落


  导电胶对键合点加固引起的失效在组件中也有 4例 ,主要表现为在经历温度循环或热冲击后 ,导电胶拉脱加固的键合点 (往往是质量不理想的键合点 ) ,导致器件回路电阻增大甚至开路失效。很多生产和使用者认为导电胶可以起良好的导电作用 ,因此用导电胶来加固键合不良的键合点。而实际上 ,导电胶的导电能力很差 ,它在键合点处并不能起导电作用 ,只是对键合点起固定保护作用。而样品在工作和测试时有温度升高和降低的变化 ,导电胶在温度作用下产生的机械张力 ,还会拉脱本来就不健壮的热压键合点 ,使接触电阻进一步显著增大 ,导致器件失效。因此 ,起导电和信号传输的作用还是要靠良好的金 -金热压键合。


组件另一个特有的失效原因是线圈电感脱落。由于没有固定 ,在振动使用的环境中 ,电路中的线圈电感从焊接点处振断开路 ,使器件失效。


与分立器件和单片电路一样 ,芯片缺陷和芯片粘结也是组件的主要失效原因。芯片缺陷主要是芯片 (包括有源器件以及电容芯片 )工艺结构缺陷、芯片开裂、缺损、芯片沾污等。芯片粘结则主要表现由于粘结质量不好 ,工作时芯片散热性能差发生热失效 ,甚至发生芯片脱落的现象。


另外 ,也有实例由于热设计不当 ,芯片在工作时温度达到 360°C,导致芯片完全损坏或从基板脱落。对功率组件和模块来说 ,正确的热设计是非常重要的。




合明科技谈:半导体功率模块器件可靠性水基清洗工艺应用分析

 

关键词导读:半导体功率电子、功率器件清洗、水基清洗技术

导读:目前5G通讯和新能源汽车正进行得如火如荼,而功率器件及半导体芯片正是其核心元器件。如何确保功率器件和半导体芯片的品质和高可靠性?

 

一、什么是半导体:

半导体是指同时具有容易导电的“导体”和不导电的“绝缘体”两方面特性的物质。能够实现交流电转为直流电——“整流”、增大电信号——“增幅”、导通或者阻断电——“开关”等。

二、什么是功率半导体:

功率半导体是能够支持高电压、大电流的半导体,在分立器件中占据主要地位。具有不同于一般半导体的结构,在使用高电压、大电流时也不会损坏。 功率半导体主要用于改变电压和频率;或将直流转换为交流,交流转换为直流等形式的电力转换。功率半导体器件,也就是我们说的电力电子器件,是一种广泛用于电力电子装置的电能变换和控制电路方面的半导体元件。电力电子装置的基本构思是把连续的能量流切割成能量小包,处理这些小包并输送能量,在输出端使之重新成为另一种连续的能量流,而这些主要便是依靠功率半导体器件及特定的电路结构来实现的。

 

三、功率半导体器件主要功能:

功率半导体的作用是在高电压或大电流条件下,用于改变电压和频率,或将直流转换为交流,交流转换为直流等形式的电力转换,包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理等。

 

四、功率半导体器件分类

功率半导体按照不同的分类标准可以进行如下分类:

1.按照控制特性分类

不控型器件:即正向导通反向阻断,如常见的功率二极管;

半控型器件:除了正负极,还有控制极,一旦开通无法通过控制极(栅极)关断,这类主要是指晶闸管(Thyristor)和它的派生器件;

全控型器件:可通过栅极控制开关,常见的有双极结型晶体管(BJT)、栅极关断晶闸管(GTO)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等等。

 

2按照载流子性质不同分类

双极型:即电子和空穴同时参与导电,常见的有BJT、GTO;

单极型:只有电子或者空穴的一种载流子参与导电,常见的有结型场效应晶体管(JFET)、MOSFET、静电感应晶体管(SIT)等;

混合型:常见的有IGBT、电子加强注入型绝缘栅晶体管(IEGT)等。

 

3按照驱动方式分类

电流型控制器件:主要是可控硅(SCR)、BJT、GTO;

电压型控制器件:以MOSFET和IGBT为主;

光控型器件:以光控晶闸管为主要代表。

 

4.按照不同的制备材料分类

主要分为硅器件,以及以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为主的宽禁带器件。

不同的应用场合根据所需半导体器件的电流电压等级来选择器件的种类。

 

五、半导体功率器件清洗必要性

目前5G通讯和新能源汽车正进行得如火如荼,而功率器件及半导体芯片正是其核心元器件。为了确保功率器件和半导体芯片的品质和高可靠性,在封装前需要引入清洗工序和使用清洗剂。

功率器件和半导体封装前通常会使用助焊剂和锡膏等作为焊接辅料,这些辅料在焊接过程或多或少都会有部分残留物,还包括制程中沾污的指印、汗液、角质和尘埃等污染物。

同时,功率器件和半导体的引线框架组装了铝、铜、铂、镍等敏感金属等相当脆弱的功能材料。

这些敏感金属和特殊功能材料对清洗剂的兼容性提出了很高的要求。

一般情况下,材料兼容性不好的清洗剂容易使敏感材料氧化变色或溶胀变形或脱落等产生不良现象。水基清洗剂则是针对引线框架、功率半导体器件焊后清洗开发的材料兼容性好、清洗效率高的环保清洗剂,将焊锡膏清洗干净的情况下避免敏感材料的损伤。




以上一文,仅供参考!

 

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【阅读提示】

以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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