空調(diào)電路板使用穩(wěn)壓塊失效分析與研究

摘要：本文主要論述了電路板弱電電源部分核心元件穩(wěn)壓塊在生產(chǎn)、裝配和使用過程中于設(shè)計(jì)、晶圓加工、封裝、過程應(yīng)力、過電損傷等環(huán)境下的損傷機(jī)理及防護(hù)措施。常見的穩(wěn)壓塊為三端穩(wěn)壓塊，作用是將電壓進(jìn)行降壓處理，并將電壓穩(wěn)定在某一固定值后輸出。

引言

　　穩(wěn)壓塊常見的為三端穩(wěn)壓塊，作用是將電壓進(jìn)行降壓處理，并將電壓穩(wěn)定在某一固定值后輸出。穩(wěn)壓塊常用的有正壓輸出和負(fù)壓輸出兩種類型，正壓穩(wěn)壓塊大多以78**命名，負(fù)壓穩(wěn)壓塊大多以79**命名。命名的后兩位為其輸出電壓值，空調(diào)主板使用的穩(wěn)壓塊基本為正壓輸出的78**系列穩(wěn)壓塊。

　　穩(wěn)壓塊是電路板電源部分核心器件，其性能和工作狀態(tài)直接關(guān)系到主板是否可以正常工作。穩(wěn)壓塊的主要性能是為主板提供穩(wěn)定的電源，并根據(jù)主板工作情況提供合適的保護(hù)。如：過載保護(hù)、過熱保護(hù)等。穩(wěn)壓塊由于其關(guān)鍵的性能及重要的作用，導(dǎo)致如果穩(wěn)壓塊失效，就會引起主板功能癱瘓。本文對穩(wěn)壓塊的失效原因及防治措施進(jìn)行了分析和探討。

1 穩(wěn)壓塊的晶圓制作問題

　　穩(wěn)壓塊是一種運(yùn)用成熟的半導(dǎo)體元件，但其晶圓加工過程會有較為隱蔽的問題出現(xiàn)。穩(wěn)壓塊的晶圓加工和PCB板的加工很類似，需要曝光顯影，但其精度非常高，微小到納米級別。在這種加工精度下若出現(xiàn)極其微小的污染源或曝光強(qiáng)度偏差，就會造成晶圓失效。晶圓失效一般是測試可控的，之所以有晶圓失效而無法測試出來的情況，是因?yàn)榉庋b前的晶圓測試會比封裝后的性能測試復(fù)雜得多，其中最主要的原因是晶圓測試的測試點(diǎn)過多。為了保證測試效率，晶圓測試過程往往會選擇性地測試一部分關(guān)鍵性能，忽略一些隱性性能，導(dǎo)致一些隱性問題流出。

1.1 故障舉例

　　如圖1、圖2和圖3所示。該故障是一個(gè)穩(wěn)壓塊的批量問題，故障表現(xiàn)為穩(wěn)壓塊常溫下工作正常，在高溫35℃以上表現(xiàn)為高溫保護(hù)無輸出，但35℃并未達(dá)到保護(hù)溫度。經(jīng)過多方面分析，最終鎖定為穩(wěn)壓塊溫度保護(hù)電路中一個(gè)齊納二極管參數(shù)異常導(dǎo)致該故障，使用聚焦離子束將齊納二極管(如圖1和圖2所示)從晶圓上剪切下來，并使用微探針測試其特性，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)通電壓達(dá)到了9V(如圖3所示)，而正常品為6.8V，其參數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)大于要求值，其保護(hù)電壓也會受到影響。

　　對結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析，將切割下的齊納二極管與正常品對比，發(fā)現(xiàn)故障品齊納二極管的氧化層與硅襯底之間的厚度偏大。正常品厚度為1.3nm(如圖4a)，故障品則有26.4nm(如圖4b)。

　　針對該問題，廠家在晶圓測試過程中未測試出的原因?yàn)椋涸摱O管連接在電路中，需要采用5點(diǎn)測試法才能確定其性能，而5點(diǎn)測試耗時(shí)較多，廠家就采取了3點(diǎn)測試法，無法準(zhǔn)確測試出其導(dǎo)通值，導(dǎo)致測試疏漏，進(jìn)而將功能失常的產(chǎn)品流出，而廠家在封裝后測試性能，沒有高溫測試環(huán)境，導(dǎo)致故障品沒有檢出，從而流出至市場。針對用戶篩選此種故障，可以使用專用的通電老化箱，監(jiān)控其工作狀態(tài)，如果有不合格的可直接挑選出。

2 封裝異常導(dǎo)致銅絲短路

　　在穩(wěn)壓塊工作過程中，時(shí)常發(fā)生穩(wěn)壓塊莫名奇妙短路的故障，此種故障除穩(wěn)壓塊存在晶圓損傷外，還有一種情況就是穩(wěn)壓塊綁定工藝中使用的銅線短路。

　　如圖5(a)中所示，穩(wěn)壓塊的銅線出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，此種現(xiàn)象為灌注環(huán)氧樹脂時(shí)，灌注速度過快，環(huán)氧樹脂沖擊銅線，導(dǎo)致綁定的銅線漂移，進(jìn)而導(dǎo)致短路。此種短路并不是所有故障品都可以及時(shí)測試出來的，因?yàn)殂~線周圍有環(huán)氧固定，若短路的兩根線距離足夠接近，但未接觸，就無法測試出。而在使用過程中受冷熱沖擊，短路點(diǎn)在沖擊下接觸，短路故障現(xiàn)象就會隨時(shí)表現(xiàn)出來。

　　除此之外還有內(nèi)部銅線污染如圖5(b)所示，封裝前穩(wěn)壓塊在切筋工藝過程中產(chǎn)生的銅絲和銅屑封裝到穩(wěn)壓塊中導(dǎo)致短路。此種現(xiàn)象與金線紊亂的故障類似，故障存在具有隨機(jī)性，需要生產(chǎn)過程中對于模具切割工具進(jìn)行長期固定的保養(yǎng)，防止銅屑的產(chǎn)生。

　　穩(wěn)壓塊封裝前的人員操作也會引起倒絲問題，如圖5(c)所示。在金線綁定完成后，未封裝之前，人員的操作若存在不規(guī)范的現(xiàn)象，接觸到綁定銅線，就會出現(xiàn)倒絲的現(xiàn)象，此點(diǎn)需要嚴(yán)格規(guī)范員工的操作手法。

　　穩(wěn)壓塊引腳是由相連的銅基板切割而成，這種工藝會存在引腳間切割不徹底的問題，如圖5(d)所示。如果存在切割刀口老化，就會導(dǎo)致切割不徹底，有銅屑?xì)埩簦詈笤斐啥搪饭收稀?/p>

3 應(yīng)力問題

　　穩(wěn)壓塊元件往往需要配合散熱器使用，配合的過程需要使用螺釘固定，這樣就會導(dǎo)致穩(wěn)壓塊散熱面發(fā)生一定的形變，而這個(gè)過程會導(dǎo)致穩(wěn)壓塊的晶圓與周圍的環(huán)氧材料之間形成應(yīng)力。環(huán)氧材料并不是一種優(yōu)質(zhì)的保護(hù)材料，環(huán)氧材料中間夾雜著起到加固作用的晶體顆粒，這些晶體顆粒有棱有角，會對晶圓表面的蝕刻元件產(chǎn)生直接損傷導(dǎo)致元件功能失效，如圖6(a)和圖6(b)。針對此種失效，直接的方法是在晶圓表面增加一層保護(hù)層，防止環(huán)氧晶體顆粒對晶圓產(chǎn)生損傷，但此種方案實(shí)施成本較高。在此種方法以外，也可從用戶加工方面控制螺釘緊固的力矩，防止因力矩過大導(dǎo)致的失效。

4 電損傷

　　電損傷分兩部分，第一部分為過電損傷，第二部分為靜電損傷。過電損傷多出現(xiàn)在選型問題上，如較小功率或較小電壓的穩(wěn)壓塊，用于大功率電路或者大電壓電路中，最終導(dǎo)致穩(wěn)壓塊失效的故障。由于穩(wěn)壓塊使用較為廣泛，目前用法基本成熟，故此種損傷現(xiàn)在非常少見。其次就是靜電損傷。靜電損傷分為機(jī)械模式損傷和人體模式損傷兩種。

4.1 其中機(jī)械模式對穩(wěn)壓塊損傷更常見

　　穩(wěn)壓塊加工過程中很容易使用到機(jī)械設(shè)備，這些機(jī)械設(shè)備往往是電動氣動混合的。若存在電動部分，而接地又沒有做好的話，很容易產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，這種情況下機(jī)械加工穩(wěn)壓塊很容易造成穩(wěn)壓塊失效。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，當(dāng)感應(yīng)電壓超過300V時(shí)就會造成穩(wěn)壓塊直接損傷。

4.2 人體模式對穩(wěn)壓塊損傷較小

　　穩(wěn)壓塊內(nèi)部本身具有防止靜電損傷的電路，目前模擬的方式主要是使用電容儲能放電加模擬人體電阻的方式來模擬靜電損傷，但人體模擬靜電損傷，目前模擬一般超過8kV才會導(dǎo)致靜電損傷，人體紡織物在冬季時(shí)可達(dá)萬伏以上的靜電，在春夏季則很難達(dá)到(此點(diǎn)和地域有直接關(guān)系)。在這種情況下，關(guān)于穩(wěn)壓塊，靜電防護(hù)還是必要的。

5 總結(jié)

　　穩(wěn)壓塊失效機(jī)理和大多數(shù)半導(dǎo)體失效機(jī)理類似，穩(wěn)壓塊同時(shí)具有功率器件的應(yīng)力損傷、IC器件的綁定異常、晶圓加工異常、靜電損傷異常等會直接或間接地導(dǎo)致其失效。穩(wěn)壓塊具有電壓穩(wěn)定的功能，承擔(dān)著電路電源供給的重任，其失效就會導(dǎo)致電路的癱瘓，故穩(wěn)壓塊的失效分析相對而言具有較重要的意義。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第38頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。