表貼玻封二極管失效問題探討

高偉娜 胡鳳達(dá) 何宗鵬 馬信娜

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表貼玻封二極管失效問題探討

高偉娜 胡鳳達(dá) 何宗鵬 馬信娜

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100142）

針對表貼玻封二極管本體開裂導(dǎo)致產(chǎn)品失效的問題，探討了表貼玻封二極管的封裝結(jié)構(gòu)構(gòu)成情況、常見失效模式及導(dǎo)致原因、失效機理及裝聯(lián)應(yīng)對措施、表貼玻封二極管的常見檢驗方法，為進(jìn)一步提高表貼玻封二極管的裝聯(lián)可靠性提供有益的依據(jù)。

玻封二極管；失效機理；措施

1 引言

隨著電子產(chǎn)品小型化、輕量化的發(fā)展趨勢，表貼元器件以其體積小、重量輕、寄生參數(shù)小等優(yōu)點越來越廣泛地被應(yīng)用。近年來由于產(chǎn)品小型化帶來的表貼應(yīng)力敏感元器件受應(yīng)力損傷，導(dǎo)致產(chǎn)品失效的情況屢有發(fā)生。

針對應(yīng)力敏感元器件表貼玻裝二極管一些常見失效模式歸納總結(jié)，分析失效機理，并對其高可靠安裝提出了應(yīng)對措施，為表貼玻封二極管的高可靠裝聯(lián)提供有益的依據(jù)。

2 表貼玻封二極管及其常見失效模式及原因

2.1 表貼玻封二極管封裝形式

表貼玻封二極管結(jié)構(gòu)如圖1[1]所示。器件引出端采用雙插頭結(jié)構(gòu)，芯片與引出端采用高溫冶金鍵合工藝進(jìn)行可靠連接，通過玻璃殼體密封[2]。部分國產(chǎn)器件的芯片與引出端采用機械壓力鍵合工藝，由于這種連接方式可靠性差，目前已被列為宇航限用元器件。

圖1 表貼玻封二極管結(jié)構(gòu)

表貼玻封二極管通過鍍錫鉛的引出端表貼焊接在印制板上，目前主要有兩種封裝形式，一種端電極引出端為圓形，其外形尺寸與玻璃本體的直徑基本一致，如圖2所示。

圖2 圓形端電極表貼玻封二極管

另一種端電極引出端為方形，其外形尺寸大于玻璃本體的直徑，安裝在印制板上后能夠?qū)ΧO管本體有一定的抬高，如圖3所示。

圖3 方形端電極表貼玻封二極管

2.2 表貼玻封二極管常見失效模式及原因

常見玻封二極管失效模式為開路、短路和漏電流增大。

玻封二極管開路主要是玻璃封裝開裂導(dǎo)致；導(dǎo)致玻封二極管開裂的主要原因為機械外力、熱失配應(yīng)力導(dǎo)致；玻封二極管短路主要是過流或反向電壓過大等電應(yīng)力導(dǎo)致，一般是由于電路設(shè)計缺陷導(dǎo)致的；玻封二極管漏電流增大主要是受到過電應(yīng)力、芯片內(nèi)部缺陷、芯片受力損傷等原因引起，一般是由于電路設(shè)計、元器件制造缺陷、元器件受力損傷導(dǎo)致。

3 表貼玻封二極管失效機理分析

3.1 機械外力

a. 生產(chǎn)過程中受到意外磕碰等外應(yīng)力

由于表貼玻封二極管本體材料較脆，在受到意外磕碰時容易受力產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋在后續(xù)熱應(yīng)力、機械應(yīng)力的作用下易擴展開裂將芯片撕裂失效。

b. 印制板變形導(dǎo)致的外應(yīng)力

由于印制板設(shè)計、制作等原因，印制板內(nèi)部容易存在內(nèi)應(yīng)力，此應(yīng)力在印制板后續(xù)裝聯(lián)過程中會逐漸釋放導(dǎo)致印制板翹曲變形。當(dāng)表貼玻封二極管焊接在變形的印制板上時，在印制板組裝件后續(xù)裝配過程中會受到安裝應(yīng)力導(dǎo)致的印制板反變形應(yīng)力，容易引起應(yīng)力敏感元器件的應(yīng)力損傷[3]。

產(chǎn)品在振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境試驗時導(dǎo)致印制板變形，從而使表貼玻封二極管受到外應(yīng)力。

3.2 熱失配應(yīng)力

a. 手工焊接熱失配

由于玻璃本身是一種脆性材料，導(dǎo)熱性差，韌性不足，在受到溫度沖擊后容易產(chǎn)生開裂。焊接時沒有預(yù)熱元器件、印制板或烙鐵頭直接碰觸元器件端頭，由于表貼玻封二極管本體及兩側(cè)有較大的引出端，且端電極比玻璃本體傳熱快，在元器件急劇受熱的情況下，使元器件本體之間的溫度梯度變大，急劇的熱分布不同導(dǎo)致不同材料之間的膨脹差異顯著增大，從而產(chǎn)生的應(yīng)力使玻璃本體開裂。

表貼玻封二極管采用手工焊接時，一般PCB板不如表貼二極管加熱的溫度高[4]，當(dāng)元器件焊接冷卻過程中經(jīng)過焊料的冷固相線時（Sn63Pb焊料183℃），二極管會受到拉應(yīng)力而不是壓應(yīng)力，而二極管更容易受到拉力的損傷[5]。

b. 安裝熱失配

表貼玻封二極管焊接在印制板上時，由于器件和印制板的熱膨脹系數(shù)不同，安裝后的器件在工作過程中受到自身及周圍環(huán)境溫度變化的影響，在器件和印制板之間存在一定的內(nèi)應(yīng)力。玻璃的熱膨脹系數(shù)一般為5～7ppm/℃，典型的FR-4層壓板的熱膨脹系數(shù)是14～17ppm/℃。當(dāng)印制板組裝件受熱時，印制板和元器件受熱膨脹，但是印制板的變形量大于元器件的變形量，元器件本體受到向外的拉力；當(dāng)印制板組裝件溫度變低時，印制板和元器件均遇冷收縮，但是印制板的收縮量大于元器件的收縮量，元器件本體受到向內(nèi)的拉力。在產(chǎn)品長期服役、經(jīng)受多次溫度循環(huán)后，容易引起焊點或脆弱元器件的失效。

c. 三防涂覆熱失配

在印制板組裝件上進(jìn)行敷形涂覆有助于提高電子產(chǎn)品的耐環(huán)境性能，但是如果敷形涂覆所使用的材料在固化后硬度較大，尤其是敷形涂覆層較厚時，則產(chǎn)品在經(jīng)歷不同溫度范圍時由于各種材料之間的較大差異會產(chǎn)生較大的應(yīng)力。電子產(chǎn)品敷形涂層中的涂覆材料與元器件之間的內(nèi)應(yīng)力主要由工作環(huán)境的高低溫變化造成，其公式表達(dá)為：

由公式可以看出，要降低內(nèi)應(yīng)力，必須合理控制敷形涂覆材料的彈性模量值、熱膨脹系數(shù)值。

為了消除應(yīng)力，一般選擇質(zhì)地較軟的涂覆材料。然而許多柔性涂覆材料在低溫下也會變的非常堅硬。如果涂覆層過厚，涂覆材料會聚集、堆積在元器件本體下方。當(dāng)涂覆材料的熱膨脹系數(shù)與表貼玻封二極管本體的熱膨脹系數(shù)差異較大時，當(dāng)產(chǎn)品經(jīng)受多個溫度循環(huán)后可能導(dǎo)致元器件玻璃或玻璃密封的失效。而表貼玻封二極管與印制板之間的間隙較小，尤其是圖2所示的圓形端電極表貼玻封二極管，當(dāng)二極管本體與印制板之間被質(zhì)地較硬的三防涂覆材料填滿時，二極管受到熱應(yīng)力時器件本身釋放應(yīng)力的能力則變的更差。當(dāng)溫度降低時，覆形涂覆材料的收縮量大于二極管玻璃本體的收縮量，二極管本體承受向下、向內(nèi)的拉力；當(dāng)溫度升高時，覆形涂覆材料膨脹量大于二極管玻璃本體的膨脹量，二極管本體承受向上、向外的推力。如果反復(fù)作用容易產(chǎn)生應(yīng)力疲勞，導(dǎo)致二極管本體裂紋。

3.3 電應(yīng)力

表貼玻封二極管電應(yīng)力主要是正向電流燒毀或反壓過高擊穿，或由于靜電敏感損傷。如果二極管正向電流過大則會引起二極管發(fā)熱，過熱造成功率超限而擊穿，有可能引起短路或開路。當(dāng)二極管外加反向電壓超過某一數(shù)值時，二極管PN結(jié)會產(chǎn)生載流子的倍增，生成大量電子-空穴對，反向電流會突然增大，導(dǎo)致二極管電擊穿。反向擊穿分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況。對于高壓肖特基二極管由于制作工藝不可避免的存在殘留的SiO2導(dǎo)致元器件靜電敏感容易受損。

4 表貼玻封二極管裝聯(lián)應(yīng)對措施

4.1 印制板變形安裝應(yīng)對措施

為了避免印制板在后續(xù)使用過程中由于內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生變形，在印制板設(shè)計時應(yīng)合理進(jìn)行層間布局及各層印制導(dǎo)線的布局。對于內(nèi)部應(yīng)力較大的印制板，應(yīng)在裝聯(lián)過程采取措施進(jìn)行應(yīng)力釋放。

在裝配發(fā)生了翹曲變形的印制板組裝件時，不應(yīng)采用反變形安裝，應(yīng)在印制板與結(jié)構(gòu)件之間加墊墊片后再安裝。

印制板組裝件的加固設(shè)計能夠滿足產(chǎn)品力學(xué)響應(yīng)要求，玻封二極管不應(yīng)布局在印制板力學(xué)響應(yīng)較大的區(qū)域，不應(yīng)布局在印制板容易變形的區(qū)域，如螺釘安裝孔、印制板開孔附近。

4.2 表貼玻封二極管焊接

表貼玻封二極管的焊接可采用再流焊和手工焊的方法。玻璃封裝最高能夠經(jīng)受350℃（低于玻璃化轉(zhuǎn)化溫度），但是不能經(jīng)受突然的溫度變化。如果迅速增加熱量，有可能對玻璃或芯片產(chǎn)生應(yīng)力或損傷。因此，在MELF玻封元器件焊接時應(yīng)注意采取以下措施。

a. 手工焊接

表貼玻封二極管采用手工焊接時應(yīng)采用預(yù)熱的方法，將二極管和印制板同時采用熱風(fēng)預(yù)熱。這樣保證烙鐵的溫度可以控制在260℃左右并且應(yīng)該盡快完成焊接。焊接時烙鐵頭不應(yīng)碰觸元器件焊端，一般采用細(xì)的、窄截面的烙鐵頭，這種烙鐵頭通常比粗的、大橫截面的烙鐵頭具有較小的熱容量，元器件本身收到熱沖擊的可能性會降低。

b. 再流焊接

表貼玻封二極管推薦優(yōu)先采用再流焊接，再流焊時應(yīng)合理控制焊接溫度曲線的上升和下降速率，應(yīng)使溫度上升、下降過程相對緩和。但由于圓形端頭引出端封裝形式表貼玻封二極管在焊接過程中容易受到外力擾動，因此，其焊盤形狀和尺寸必須進(jìn)行控制以保證再流焊時焊料的表面張力不會使元器件產(chǎn)生立碑、偏移或位移[6]；再流焊的風(fēng)壓設(shè)置應(yīng)調(diào)整到合理的范圍，保證元器件不被吹飛。

4.3 表貼玻封二極管覆形涂覆

表貼玻封二極管覆形涂覆盡可能采用質(zhì)地較軟的涂覆材料，應(yīng)考慮涂覆材料全工作周期內(nèi)的硬度變化。為了減少對玻璃本體的應(yīng)力，本體應(yīng)盡可能不進(jìn)行三防涂覆，只對焊端涂覆。如進(jìn)行整體涂覆，應(yīng)保證涂覆層盡量薄，不會在本體表面堆積，不會填充本體與印制板之間的間隙，如paralyne涂覆工藝；也可以在涂覆前對器件本體預(yù)處理，如先涂覆一層應(yīng)力較小的硅膠，能夠化解部分覆形涂覆材料對二極管本體的應(yīng)力[7]。

5 表貼玻封二極管檢驗

由于表貼玻封二極管自身結(jié)構(gòu)及材料特性，其容易在裝聯(lián)過程中產(chǎn)生缺陷，除了加強過程控制外，還應(yīng)加強檢驗。通常玻封二極管可采用的檢驗方法有目檢、染色、熒光和電測等方法，具體如下。

a. 目檢法

一般檢驗采用30倍放大鏡檢驗，當(dāng)存在疑似裂紋時應(yīng)采用更高倍數(shù)的顯微鏡。首先將放大鏡位于表貼二極管本體正上方檢查；然后再移動放大鏡在二極管本體兩側(cè)45°方向檢查。

b. 染色法

通過染色劑涂覆在元器件本體上，如果玻璃本體存在裂紋，染色劑會滲透到玻璃體內(nèi)部，通過擦除表面的染色劑在顯微鏡下觀察裂紋情況。

c. 熒光法

在元器件本體涂覆帶有熒光的染色劑，玻璃本體存在裂紋，染色劑會滲透到玻璃體內(nèi)部，通過擦除表面的熒光染色劑在專用的熒光顯微鏡下觀察裂紋情況。

d. 電測法

二極管加反壓會有漏電流產(chǎn)生的現(xiàn)象，通過漏電流參數(shù)變化確認(rèn)器件是否存在損傷。

由于染色法、熒光法具有污染性，電測法在產(chǎn)品裝聯(lián)階段的實施需進(jìn)行相應(yīng)的評估。綜合以上檢測方法，在產(chǎn)品裝聯(lián)階段只有目檢法具有可實施性，但由于玻封二極管玻璃本體具有透明、反光的特性，通過目檢的方法具有一定的局限性，在裂紋擴展到一定寬度之前，裂紋的檢驗具有一定的難度，有存在漏檢的風(fēng)險，需要格外仔細(xì)并具有一定的經(jīng)驗。

6 結(jié)束語

由于表貼玻封二極管對熱應(yīng)力、機械應(yīng)力敏感。為了保證二極管的高可靠裝聯(lián)，除了選擇高質(zhì)量等級的元器件，還應(yīng)在印制板設(shè)計、元器件布局、產(chǎn)品裝聯(lián)各環(huán)節(jié)加強防護(hù)并加強過程檢驗，提高表貼玻封二極管裝聯(lián)可靠性。

1 李東華. 高可靠表面貼裝玻封小電流肖特基二極管制造技術(shù)研究[D].山東：山東大學(xué)，2014

2 MIL-PRF-19500N MIL-semi-conductor devices, general specification[S]. 2005

3 齊林，杜爽，李佳賓，等. 大尺寸印制板組裝件防變形技術(shù)研究[J]. 航天制造技術(shù)，2015(6)：29～33

4 張秋. 金屬電極玻璃封裝器件安裝強度試驗方法研究[J]. 標(biāo)準(zhǔn)化研究，2014(11)：51～53

5 Dibugnara R. Soldering Guidelines for Glass MELF Diodes, 2014, http://www.microsemi.com/micronotes/006.pdf

6 王修利，丁穎，嚴(yán)貴生，等. 汽相再流焊工藝技術(shù)研究[J]. 航天制造技術(shù)，2013(3)：38～40

7 吳紅. 玻璃封裝元件的開裂問題探討[C]. 2012中國高端SMT學(xué)術(shù)會議論文集，2012：404～408

Discussion on Failure Problem of Glass Sealed Surface Mount Diodes

Gao Weina Hu Fengda He Zongpeng Ma Xinna

(Beijing Spacecrafts Co., Ltd., Beijing 100142)

In order to solve the problem of the cracking of the glass sealed surface mount diodes, this paper describes the package structure, the common failure modes and their causes, failure mechanism and the assembly measures, and also the inspection methods of the glass sealed surface mount diodes. It can provide a useful basis for further improving the assembly reliability of the glass sealed surface mount diodes .

glass sealed diode；failure mechanism；measures

高偉娜（1976），高級工程師，電機與電器專業(yè)；研究方向：星船電子產(chǎn)品裝聯(lián)工藝。

2018-01-24