一種典型功率運(yùn)算放大器芯片粘接故障分析及改進(jìn)

劉崗崗，蔡景洋，謝煒煒

（貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司，貴州貴陽，550018）

1 概述

0041 型功率運(yùn)放是通用丙類功率運(yùn)算放大器，具有較大輸出電流，適用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路。某批次0041 產(chǎn)品使用時(shí)，存在部分產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)測試出現(xiàn)“輸入10V 信號(hào)，輸出電壓負(fù)滿偏為-14V，正常為-2.4V；輸入-10V 信號(hào)，輸出電壓2.4V，正端輸出正?！毙畔?。對(duì)故障樣品進(jìn)行分析可知開封后電測內(nèi)部電路可知Q1上B-C串阻為268Ω，基極-發(fā)射極無串阻，目檢樣品鍵合良好。運(yùn)放芯片及Q1～Q4 晶體管芯片玻璃鈍化層完整，金屬化良好，未見明顯過電損傷或機(jī)械損傷，仿真分析確認(rèn)失效樣品失效由Q1 管集電極串阻引起。切片分析Q1 背金界面未見裂縫、空洞、腐蝕等異常形貌，銀漿銀顆粒分布不均勻。將編號(hào)分別為230#（故障樣品）和3449#（未裝機(jī)樣品）的兩樣品返廠測試和分析。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

■2.1 引腳功能簡介

0041 型功率運(yùn)放產(chǎn)品采用T0-8-12 金屬圓殼封裝，各引腳功能如表1 所示。該款功率運(yùn)算放大器最大輸出電流200mA，封裝形式與MSK0041 基本一致。電路具有輸出過載保護(hù)功能，采用補(bǔ)償電容消除寄生振蕩、確保電路穩(wěn)定工作。

表1 產(chǎn)品引腳功能表

■2.2 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)

0041 型功率運(yùn)算放大器采用厚膜混合制造工藝，基片上集成4 個(gè)厚膜電阻，通過金導(dǎo)帶實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互聯(lián)。厚膜基片采用Al2O3陶瓷，基片與管基采用真空合金焊燒結(jié)。內(nèi)部5 個(gè)芯片（C8051 型、A8551 型晶體管各2 個(gè)，LM741運(yùn)放1 個(gè)）。封裝時(shí)采用導(dǎo)電膠粘接在金導(dǎo)帶上，選用Φ25μm、Φ50μm 兩種規(guī)格金絲進(jìn)行熱-超聲鍵合，其中Φ25μm 鍵合絲7 根、Φ50μm 鍵合絲19 根，顯微鏡觀測的產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 樣品故障分析與定位

針對(duì)返廠故障樣品和未裝機(jī)樣品分別進(jìn)行外觀檢查、電參數(shù)測試、密封性檢查、PIND 檢測等測試，采用X 射線照射等手段定位失效產(chǎn)品內(nèi)部故障。

■3.1 樣品內(nèi)部故障測試與分析

外觀檢查表明兩樣品引腳上錫完整，230#樣品引線被剪短，未發(fā)現(xiàn)外部金屬殼體開裂、變形、鼓起等異常，其玻璃絕緣子無開裂或缺損。依據(jù)Q/FA 20003B-2013 規(guī)范要求，采用STS8105A 型混合信號(hào)測試系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行了常溫電參數(shù)測試，測試結(jié)果合格。

依據(jù)GJB548B 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件對(duì)樣品A1、C1 進(jìn)行密封性檢查，樣品密封性檢測合格。按GJB548B 2020.1 要求進(jìn)行PIND 檢測，樣品檢測合格。經(jīng)X 射線設(shè)備拍照，樣品基片及芯片表面及粘結(jié)表面空洞較小，空洞率符合相關(guān)規(guī)定，鍵合絲無斷裂、無塌絲，鍵合點(diǎn)無脫落情況，X 射線照射下兩樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 X 射線下樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

■3.2 故障定位

0041 產(chǎn)品最大輸出電流200mA，測試線路中采用的限流保護(hù)電阻Rsc 為3.3Ω，模擬產(chǎn)品實(shí)際工況搭建的測試電路如圖3 所示。VIP-P=20V、f=50Hz 正弦波信號(hào)下，對(duì)兩樣品進(jìn)行測試并與合格產(chǎn)品對(duì)比分析可知，輸出波形無異常、產(chǎn)品線性區(qū)放大工作正常。

圖3 測試電路原理圖

保護(hù)晶體管導(dǎo)通電壓VBE為0.6～0.7 V，限流保護(hù)電阻Rsc=3.3Ω，輸出短路電流180mA ≤Ios≤212mA。當(dāng)限流保護(hù)電阻≤3.3Ω 時(shí)，產(chǎn)品輸出短路電流Ios≥180mA，電路中保護(hù)管Q1、Q3 集電極串阻小于10Ω。產(chǎn)品工作時(shí)Q1、Q3 未能給輸出管Q2、Q4 提供偏置，不出現(xiàn)正、負(fù)滿偏。當(dāng)產(chǎn)品輸出短路電流小于180mA、集電極串阻大于10Ω 時(shí)，此時(shí)保護(hù)管Q1、Q3 處于工作狀態(tài)，持續(xù)為輸出管Q2、Q4提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)，輸出電壓隨著輸入信號(hào)變化。

綜上，當(dāng)保護(hù)管Q1、Q3 集電極串阻小于10Ω 時(shí)，不能為輸出管Q2、Q4 提供偏置。若保護(hù)管Q1 集電極間串聯(lián)電阻變大，使Q2 基極電壓提高并持續(xù)給Q2 提供偏置，Q2仍處于放大狀態(tài)，使產(chǎn)品輸出處于負(fù)滿偏，導(dǎo)致故障產(chǎn)生。

4 失效原因排查

構(gòu)建的失效分析故障樹如圖4 所示。為確定引起芯片粘接失效的最終故障源頭，對(duì)引起晶體管集電極串阻的銀漿顆粒分布不均勻、粘接面污染和導(dǎo)電膠退化等因素進(jìn)行排查。

圖4 失效分析故障樹示意圖

0041 產(chǎn)品制造時(shí)采用導(dǎo)電膠將元器件粘接在厚膜基片上，高溫固化后經(jīng)導(dǎo)電膠實(shí)現(xiàn)芯片背面集電極和金導(dǎo)帶連接。導(dǎo)電膠異常、回溫異常、粘接固化異常導(dǎo)致導(dǎo)電膠顆粒分布不均勻或粘接提前固化，造成集電極串阻增大。經(jīng)檢測未見異常，可排除提前固化異常。

自動(dòng)貼片可保證產(chǎn)品點(diǎn)膠量一致、平整度和導(dǎo)電膠分布均勻性，經(jīng)復(fù)查所用導(dǎo)電膠入廠檢驗(yàn)合格，該批導(dǎo)電膠也用于其他批次0041 產(chǎn)品，相關(guān)檢測未見異常。根據(jù)GJB 548B-2005 混合電路目檢和FA3.500.008 檢驗(yàn)要求，對(duì)導(dǎo)電膠多少、芯片劃傷、有無短路等進(jìn)行檢測，合格后再進(jìn)入下道工序，經(jīng)檢測未發(fā)現(xiàn)異常，可排除導(dǎo)電膠異常。從低溫儲(chǔ)存室內(nèi)取出導(dǎo)電膠，按稱取規(guī)定劑量導(dǎo)電膠放入盛膠皿，取出后室溫回溫30～40 分鐘，經(jīng)同一方向攪拌均勻后放入點(diǎn)膠管。經(jīng)復(fù)查未見異常，可排除粘接前導(dǎo)電膠準(zhǔn)備過程異常。

固化工藝對(duì)導(dǎo)電膠性能有顯著影響，固化不佳會(huì)導(dǎo)致膠點(diǎn)脫落或接觸電阻增大。導(dǎo)電膠固化采用自動(dòng)控制。檢驗(yàn)完成后將合格產(chǎn)品放入烘箱，啟動(dòng)設(shè)定固化程序運(yùn)行從常溫升溫至120℃±3℃恒溫1 小時(shí)；再升溫至170℃±3℃恒溫2 小時(shí)，后自然降溫至50℃以下取出產(chǎn)品。經(jīng)復(fù)查，同批次產(chǎn)品未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電膠固化異常。

產(chǎn)品芯片通常減薄至200μm 后再進(jìn)行背面金屬化，金屬化層一般為Ti-Ni-Ag 三層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電層為芯片背面最外層，接觸界面如圖5 所示。若芯片背面金屬化存在氧化、基片焊盤表面污染或氧化、導(dǎo)電膠粘接污染會(huì)即粘接面污染會(huì)導(dǎo)致粘接導(dǎo)通電阻增大，經(jīng)測試可排除粘接面污染異常。芯片粘接后在導(dǎo)電膠與金導(dǎo)帶間及背面金屬化層與導(dǎo)電膠間存在兩接觸面，粘接后產(chǎn)生的接觸電阻R=R金-膠+R膠-芯。固化后對(duì)接觸電阻R金-膠進(jìn)行測試，R膠-芯則通過測量晶體管導(dǎo)通飽和壓降和輸出電流進(jìn)行計(jì)算。

圖5 內(nèi)部粘接示意圖

排查芯片背面氧化，背面氧化或沾污會(huì)在粘接時(shí)形成原子團(tuán)阻擋層，造成導(dǎo)電膠與芯片背面相互滲透變差，引起Ag 顆粒分布不均，形成粘接夾層，進(jìn)而使得接觸電阻增大，芯片粘接時(shí)集電極串阻增大。對(duì)230#樣品進(jìn)行開帽操作，用探針和YB4812 型特性圖示儀對(duì)Q1、Q2 晶體管飽和壓降進(jìn)行測試，飽和壓降分別為1.5V 和0.12V，接觸電阻分別為0.42Ω 和0.41Ω。在使用線路中限流保護(hù)電阻Rsc 為100Ω，保護(hù)功能啟動(dòng)時(shí)輸出電流6.5mA。產(chǎn)品投料前由檢驗(yàn)人員對(duì)0041 使用的芯片和外殼100%鏡檢。經(jīng)復(fù)查，同批次產(chǎn)品A8551 晶體管、C8051 晶體管入廠檢驗(yàn)合格。

產(chǎn)品固定檢驗(yàn)員分別長期從事芯片材料和外殼材料，經(jīng)復(fù)查當(dāng)天安排外殼材料生產(chǎn)任務(wù)較少且芯片檢驗(yàn)任務(wù)較重，臨時(shí)安排個(gè)別平時(shí)主要檢驗(yàn)外殼的檢驗(yàn)員參與產(chǎn)品芯片檢驗(yàn)。檢驗(yàn)過程中，檢驗(yàn)員對(duì)芯片背面金屬層氧化程度把控不好、不適應(yīng)芯片檢驗(yàn)，后期停止了其檢驗(yàn)操作。不排除檢驗(yàn)員因檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)不足、對(duì)芯片背面金屬層氧化程度把控不準(zhǔn)等人為疏忽導(dǎo)致的背金氧化芯片未剔除的情形。芯片背面金屬發(fā)生氧化或沾污，背面金屬化層與導(dǎo)電膠之間接觸電阻增大，導(dǎo)致集電極與金導(dǎo)帶間串聯(lián)電阻變大。為減小信號(hào)衰減，要求導(dǎo)體材料對(duì)氧化鋁基片有良好附著力、細(xì)線分辨率及線焊特性。測得連接導(dǎo)電膠與金導(dǎo)帶的接觸電阻分別為0.42Ω和0.41Ω，可排除基片導(dǎo)帶氧化異常。

通過上述排查與分析，可知造成該批次0041 產(chǎn)品輸出電壓負(fù)滿偏的原因是部分芯片的背面金屬化層存在氧化沾污，材料檢驗(yàn)時(shí)因檢驗(yàn)員經(jīng)驗(yàn)不足、人為疏忽而未能有效剔除不合格產(chǎn)品。造成出廠產(chǎn)品芯片粘接后存在夾層，在環(huán)境作用下發(fā)生一系列理化反應(yīng)，原子團(tuán)阻擋層電阻增大，造成保護(hù)Q1 三極管芯片粘接時(shí)造成集電極串阻，進(jìn)而使得Q1不能實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，輸出管Q2 仍處于放大狀態(tài)，使產(chǎn)品輸出處于負(fù)滿偏。

5 結(jié)束語

經(jīng)前述故障定位與排查、分析，針對(duì)0041 產(chǎn)品檢核過程存在的問題，擬采取改進(jìn)措施如下：

（1）芯片裝結(jié)前對(duì)其背面金屬化進(jìn)行氧化程度分析，若出現(xiàn)氧化，可在粘接前進(jìn)行等離子清洗，可有效從源頭解決該問題；

（2）進(jìn)一步完善、細(xì)化測試規(guī)范，產(chǎn)品測試時(shí)增加輸出短路電流Ios測試，當(dāng)180mA ≤Ios≤210mA 時(shí)保證Q1、Q3 集電極串聯(lián)電阻小于10Ω，可有效剔除不合格產(chǎn)品。

綜上，造成0041 產(chǎn)品故障的原因是部分產(chǎn)品采用的C8051、A8551 芯片背面金屬化層存在氧化沾污，進(jìn)行芯片檢驗(yàn)操作時(shí)存在檢驗(yàn)員人為疏忽未進(jìn)行有效剔除，造成芯片粘接后存在夾層，在電場、溫濕度共同作用形成原子團(tuán)阻擋層電阻變大，造成晶體管芯片粘接時(shí)造成集電極串阻偏大，失去了保護(hù)能力，造成輸出管持續(xù)處于放大狀態(tài)、導(dǎo)致產(chǎn)品輸出異常。通過采取上述措施，可有效解決和防止類似問題再次發(fā)生。