鄧騰飛，曲涵笑

（1.深圳市美信咨詢有限公司，廣東 深圳 518108；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130113）

0 引言

引線鍵合技術(shù)作為傳統(tǒng)的互連技術(shù)仍然是半導(dǎo)體封裝的主力[1]?，F(xiàn)在大約有75%～80%的封裝類型仍然是引線鍵合。但引線鍵合有其眾所周知的連接可靠性問(wèn)題。鍵合線材料早期主要使用的是金線。出于降低成本的需要，鍵合線材料存在由金線向銅線轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，但銅線材質(zhì)比金硬，需要更強(qiáng)的鍵合力，這可能導(dǎo)致焊接盤的損壞[2]。在比較保守的應(yīng)用領(lǐng)域，金線鍵合仍然被使用。本文通過(guò)分立器件案例分析金線鍵合不良造成硅芯片焊盤損傷導(dǎo)致三極管燒毀。

某車載轉(zhuǎn)向燈模組PCBA 在售后行駛里程9 km 后出現(xiàn)故障，在PCB 板上靜態(tài)測(cè)量Q1三極管，其BE、BC 結(jié)壓降異常。Q1由兩個(gè)三極管組成，管腳分布如圖1 所示。

圖1 Q1 三極管管腳分布

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

檢查失效PCBA 上Q1三極管外觀，未發(fā)現(xiàn)三極管出現(xiàn)封裝體開(kāi)裂、燒焦等外觀異常現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 失效Q1 三極管外觀

1.2 X-ray 透視檢查

在X-ray 下檢查失效Q1三極管，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)三極管Q1A的發(fā)射極E1鍵合引線斷裂，如圖3所示。

圖3 失效Q1 三極管X-ray 透視照片

1.3 開(kāi)封觀察分析

將失效Q1三極管用化學(xué)腐蝕方法打開(kāi)樹脂封裝，露出里面的硅芯片?？梢?jiàn)兩個(gè)三極管的發(fā)射極焊盤都發(fā)生了燒毀，其中Q1A三極管的發(fā)射極焊盤熔融形成一個(gè)凹坑，鍵合線材料四濺飛射；Q1B三極管發(fā)射極燒毀輕微，鍵合線材料熔融后向旁邊流散。失效Q1兩個(gè)三極管的發(fā)射極呈現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)流燒毀形貌，但其基極鍵合未發(fā)現(xiàn)異常，如圖4所示。

圖4 失效Q1 三極管開(kāi)封后的形貌

2 分析與討論

2.1 電路分析

由開(kāi)封結(jié)果知，失效Q1三極管呈現(xiàn)過(guò)流燒毀形貌?，F(xiàn)對(duì)Q1所在電路進(jìn)行分析，討論其是否存在異常過(guò)流。模組上Q1周邊電路原理圖如圖5 所示，在圖5中，已知TURN_VCC 端電壓為13.5 V。當(dāng)LED 燈亮起時(shí)，Alarm 端電壓低于0.25 V。當(dāng)LED 燈熄滅時(shí)，Alarm 端電壓高于6 V。

圖5 模組上Q1 周邊電路原理圖

給TURN_VCC 端施加直流13.5 V，Alarm 端施加直流6 V，TP18 點(diǎn)電壓高出TP20點(diǎn)電壓0.42 V，高出TP21點(diǎn)電壓0.55 V，Q1A，Q1B都處于放大狀態(tài)；Alarm端流入電流為182 mA，即Q1A的集電極流入電流為182 mA，B1極流入電流約為0.64 mA，E1極流出電流約為183 mA；Q1B的C2極和E2極流入流出電流約為182 mA。

給TURN_VCC 端施加13.5 V電壓，提高Alarm 端電壓至8 V。此時(shí)TP22點(diǎn)電壓為0.57 V，而TP21點(diǎn)電壓降為0.08 V，說(shuō)明Q2三極管已經(jīng)開(kāi)啟，Q1B的B1極電壓被拉低而使得Q1B截止。Q1A處于放大導(dǎo)通狀態(tài)，C1極流入電流和E1流出電流約等于（3.61～0.57 V）/47 kΩ≈0.06 mA。這是因?yàn)镼1B截止 后，R4和R7組成的支路電阻達(dá)57 kΩ。由此可知，R4、R7和Q2支路起到了過(guò)壓保護(hù)作用。

由以上分析可知，實(shí)際上電路中在LED 燈點(diǎn)亮和熄滅，Alarm 端電壓不超過(guò)TURN_VCC電壓情況下，不存在過(guò)流情形。

下面分析TURN_VCC 和Alarm 輸入可能出現(xiàn)異常高壓的情形。根據(jù)規(guī)格書，Q1A/Q1B的BVCBO大于60 V，BVCEO 大于40 V。

如果TURN_VCC 出現(xiàn)異常高壓輸入，由于R2與R3、R5與R6構(gòu)成自給偏壓電路，Q1B的基極TP21電壓仍為零點(diǎn)幾伏。Q1A的基極TP18比TP20高零點(diǎn)幾伏，因?yàn)門P20的電壓高于3.6 V 時(shí)會(huì)觸發(fā)Q2開(kāi)啟，因此TP18電壓不高于4.2 V。因此R2和R5將主要承受輸入的過(guò)壓，由于R2和R5的阻值分別為10 kΩ，足夠承受較高的電壓。因而，Q1A和Q1B也不會(huì)發(fā)生過(guò)流燒毀。

2.2 Q1 三極管物料檢驗(yàn)

從電路分析可知，在電路中不存在引發(fā)Q1三極管過(guò)流燒毀的外部電學(xué)條件，結(jié)合失效三極管燒毀后形成熔融凹坑的形貌，推斷Q1三極管發(fā)生燒毀的原因可能是三極管芯片本身存在缺陷。為了檢驗(yàn)三極管物料的質(zhì)量，取若干未使用的三極管進(jìn)行破壞性分析。

在這若干三極管中，開(kāi)封后發(fā)現(xiàn)有個(gè)別鍵合點(diǎn)超出了芯片上的預(yù)留鍵合區(qū)，進(jìn)一步進(jìn)行腐球試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鍵合產(chǎn)生了明顯的彈坑或鍵合球印，說(shuō)明三極管個(gè)別物料存在鍵合損傷，如圖6 所示。

圖6 未使用Q1 三極管開(kāi)封后的金相形貌

彈坑是由于焊球在與芯片焊盤鋁墊表面接觸時(shí)，鍵合參數(shù)設(shè)置匹配不當(dāng)，導(dǎo)致焊區(qū)硅層受到損傷造成的[3-4]。如果損傷比較輕微，則在腐球試驗(yàn)后在硅層上可見(jiàn)球??；當(dāng)損傷比較嚴(yán)重時(shí)，芯片的硅層表面可以觀察到明顯的硅缺失痕跡。彈坑損傷往往會(huì)導(dǎo)致器件產(chǎn)品的電參數(shù)不良，如漏電流大或耐電壓低，漏電流由于起初比較小，因而在出廠前并不能通過(guò)電性篩選完全剔除，但在后續(xù)整機(jī)通電使用中其會(huì)不斷地劣化增大[5]。本案例中Q1三極管鍵合彈坑導(dǎo)致在電路正常電壓下，發(fā)射極漏電流不斷地增大，最終發(fā)生過(guò)流燒毀。

圖7 未使用Q1 三極管彈坑試驗(yàn)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)車載轉(zhuǎn)向燈模組上Q1三極管發(fā)生過(guò)流燒毀現(xiàn)象進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品失效的原因?yàn)椋篞1三極管物料存在芯片鍵合彈坑損傷導(dǎo)致發(fā)射極耐壓下降和漏電流增大，進(jìn)而引發(fā)了過(guò)流。對(duì)此，建議針對(duì)鍵合產(chǎn)生彈坑損傷，通過(guò)調(diào)整鍵合功率和增厚芯片鍵合鋁墊予以改善。