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三极管烧毁失效分析及预防对策

2022-06-15  浏览量:85

 

引言

 

三极管,是一种控制电流的半导体器件,其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号,广泛应用于通信产品、汽车控制电路和消费类电子产品。在整个BOM表中,三极管的价格相对低廉,其品控工作往往不被重视。但实例证明,很多产品级的故障,是三极管失效导致的。

 

三极管失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序确认三极管的失效现象,分辨其失效模式和失效机理,确认最终的失效原因,提出改进设计和制造工艺的建议,防止失效的重复出现,提高器件可靠性。

 

一、案例背景

 

某型号三极管在用户端出现失效,表现为Q9输出端电压过低,电压不足,电路无法启动。

现委托方提供1pc拆解下的失效三极管,2pcs测试正常三极管进行分析,查找失效原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

对委托方提供的失效三极管、正常三极管进行外观检查,确认其表面是否存在明显异常。

 

检查结果显示:失效三极管表面有比较明显的助焊剂残余,但未发现明显裂纹、破损等异常,表面丝印比较清晰,与正常三极管丝印信息接近。

 

失效三极管外观检查形貌

图1. 失效三极管外观检查形貌

 

正常三极管外观检查形貌

图2. 正常三极管外观检查形貌

 

2. X-ray检查

为确认失效三极管内部结构是否存在明显缺陷,对失效三极管、正常三极管进行X-ray检查。

 

结果显示:失效三极管内部键合区域有疑似异常,与正常三极管比较,整个三极管框架存在较大差异。

 

失效三极管X-ray检查形貌

图3. 失效三极管X-ray检查形貌

 

正常三极管X-ray检查形貌

图4. 正常三极管X-ray检查形貌

 

3. 失效现象确认

为确认失效三极管的失效现象,对比测试失效三极管、正常三极管引脚间的半导体特性。

 

测试结果显示:失效三极管引脚间半导体特性都表现为阻性,无明显的三极管特性,与正常三极管引脚间的半导体特性存在较大差异,这是失效三极管在应用中表面失效的原因。(红线为失效三极管引脚间半导体特性,蓝线为正常三极管引脚间半导体特性。)

 

引脚示意图

图5. 引脚示意图

 

失效三极管、正常三极管引脚间半导体特性

图6. 失效三极管、正常三极管引脚间半导体特性

 

4. 开封观察

为确认失效三极管内部是否存在明显的异常,对失效三极管、正常三极管进行开封观察。

 

开封结果显示:失效三极管的E极有明显的烧毁现象,SEM形貌观察发现烧毁区域有大量裂纹,正常三极管晶圆表面未发现明显缺陷。

 

失效三极管开封后形貌

图7. 失效三极管开封后形貌

 

正常三极管开封后形貌

图8. 正常三极管开封后形貌

 

5. 切片分析

为确认失效三极管烧毁的可能原因,对其进行切片分析。

 

切片结果显示:

(1)第一次切片发现烧毁区域有明显裂纹,但底部晶圆区填充了粘接的银浆,推测该区域的晶圆有缺陷现象;

(2)继续切片后发现,烧毁区域消失,但晶圆中间部位及底部区域仍有裂纹,推测是裂纹引起的晶圆烧毁;从底部的形貌上观察,晶圆有大量缺失,缺失的部位填充了粘接料银浆,说明在粘接晶圆时,晶圆本身就存在缺失及裂纹,因此晶圆本身存在质量缺陷。

 

切片方向示意图

图9. 切片方向示意图

 

失效三极管第一次切片形貌

图10. 失效三极管第一次切片形貌

 

失效三极管继续切片后形貌

图11. 失效三极管继续切片后形貌

 

三、综合分析

 

本案件为三极管在使用一段时间后出现失效,通过外观检查、X-ray检查、失效现象确认、开封观察、切片分析等测试后发现:

 

(1)失效三极管外观除存在少量助焊剂残余外未发现裂纹、破损等异常,表面丝印比较清晰,与正常三极管丝印比较接近;X-ray检查发现失效三极管键合区域有疑似异常,经后续分析确认该位置为烧毁;

(2)通过引脚间的半导体特性测试,确认失效三极管引脚间半导体特性都为阻性,无三极管特性,这是三极管在电路中不能作用的原因;通过开封观察,发现失效三极管晶圆存在明显的烧毁及裂纹,烧毁主要集中在E极区域;

(3)为确认三极管E极烧毁的可能原因,对失效三极管进行切片分析,观察烧毁区域的形貌;通过观察发现:

① 第一次切片发现烧毁区域有明显的裂纹及烧毁,且晶圆底部有明显的银浆填充,说明银浆填充部位的晶圆有缺失现象;

② 继续研磨后烧毁现象消失,但烧毁的其他区域裂纹依旧存在,说明是裂纹导致的烧毁;而在晶圆底部有明显缺失及裂纹,缺失的部位填充了粘接料银浆,说明晶圆缺失及裂纹是在粘接晶圆时就存在的。

 

综上所述:三极管失效的原因是晶圆本身存在裂纹和缺失,使用一段时间后裂纹扩展到晶圆功能区导致三极管漏电,持续加电导致其烧毁。

 

四、结论与建议

 

1. 结论

三极管失效的原因为内部存在裂纹及烧毁,根本原因为三极管本身存在质量缺陷,在使用一段时间后烧毁失效。

 

2. 建议

加强来料品质管控,以预防失效为目的,对该型号三极管开展破坏性物理分析(DPA)。避免将有潜在缺陷的元器件装机使用后,造成更大损失。

 

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