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高壓電解電容波峰焊放電擊穿板上芯片的機理研究及對策

作者:王大波,施清清,李會超,等時間:2020-03-03來源:電子產品世界收藏

王大波,施清清,李會超,宗? 巖 (珠海格力電器股份有限公司,廣東?珠海?519000)

本文引用地址:http://www.ofia.com.cn/article/202003/410492.htm

摘? 要:作為困擾電子行業的難題,失效機理復雜,對于因生產現場環境造成的過電、靜電失效,環 節無法鎖定。通過對帶電插裝對印制電路板上芯片損傷分析,確定主板過時錫面連錫短路 導致放電芯片的失效機理,并制定管控對策,有效降低不良。 

關鍵詞:

0  引言 

隨著電子技術的發展,小型化、集成化的芯片被應 用于各個領域,如何保證自身可靠性及產品質量成為芯 片廠商不斷深入研究的熱點。但芯片因生產環境、使用 環境苛刻,失效情況時有發生[1]。目前業界已經識別到 的失效原因分兩大類:①芯片本身制造缺陷;②生產 現場不規范操作導致失效。業內常用的失效分析方法 包括:芯片開封、X-Ray無損探傷、SEM掃描電鏡、 EMMI偵測等。此類分析方法對于芯片制造缺陷,如晶 元異常、金線綁定異常等能直觀判斷失效環節,但是對 于因生產現場環境造成的EOS(過電應力)、ESD(靜 電放電)卻難以鎖定失效點,給生產、產品質量改善帶 來不便。 

電解電容因容量大,廣泛應用于輸出濾波電路中, 起儲能和濾波作用[2-3]。高壓電解電容因其制造工藝及 電子特性,在插裝前會殘留部分電壓,而殘留電壓對于 電路板上半導體器件的影響一直被行業內電路設計者所 忽略。學者針對高壓電解電容殘留電壓對芯片失效進行深入研究,并做了充分試驗驗證。結果表明高壓電解電 容未放電即插裝,在過時會通過錫面將殘留電壓 作用于芯片上,致使芯片失效。同時,學者通過大量數 據驗證,通過改進電路布局或過板方向,有效解決了因 高壓電解電容未放電導致的芯片失效,降低產品不良 率,提高產品可靠性[4-5]

1  案例分析 

1.1 背景 

控制器車間生產某兩款主板,某廠家開關電源芯 片零星下線,批次不集中,失效外在表現為芯片的1腳 (使能腳)與5腳(地腳)之間阻抗值異常,正常品阻 抗為M歐級別,失效品阻抗為K歐級別。對正常、異常 芯片分別測試U-I曲線,如圖1、圖2所示,表明芯片失 效,有漏電流。圖3、圖4為異常芯片X-Ray圖像,結果 表明芯片內部結構無明顯異常。經廠家對芯片開封確 認,如圖5所示,確認芯片失效模式為過電損傷。

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1.2 分析過程 

取庫存開關電源芯片,對 PIN1(EN/UV)腳與 PIN5(S)腳施加15 V直流電壓,測試阻值,試驗后芯 片1~5腳阻抗在10 kΩ左右,與下線異常品阻抗一致, 測試U-I曲線與下線品一致,存在明顯漏電。經對芯片 開封確認,芯片屬過電失效。 

對生產線及員工的靜電防護、在線測試設備進行排查,未發現異常。為鎖定失效環節,對未上線芯片全檢 1~5腳阻抗,無異常后進入下一生產流程。最終鎖定失 效環節發生在主板進入波峰焊后與出波峰焊間,進一步 檢查波峰焊設備接地狀態及防靜電檢查,無異常。初步 分析為高溫導致芯片失效。因芯片為SMT貼裝,對比回 流焊、波峰焊溫度及過板時間,回流焊環境更為惡劣, 但未出現異常。同步安排芯片高溫、低溫、冷熱沖擊、 高溫潮態試驗均未發現異常,鎖定失效發生在波峰焊浸 錫環節。 

對開關電源芯片電路分析,電路中有450 V/22 μF的 電解電容,初步鎖定過電源為電解電容放電異常。經驗 證,使用直流電源對主板上電解電容充15 V的直流電后 對開關電源芯片1-5腳進行放電,芯片失效,與下線樣 品現象一致。查詢該芯片技術參數,PIN1腳(EN/UV) 工作的最大額定電壓為9 V,高于9 V有過電隱患。 隨機抽取350個未上線使用的電解電容測試殘余電壓, 有3個電壓高于10 V,理論上高壓電解電容殘余電壓在 未放電即插裝使用存在擊穿芯片隱患。

2  實驗驗證 

2.1 驗證條件及結果 

1.同編碼電容及下線主板; 

2.殘余電壓:30 V; 

3.驗證數量:30 PCS; 

4.驗證結果:未復現。 

2.2 原因分析 

通過對生產過程及波峰焊內部構造分析,確認未復 現原因有以下3點: 

1)電解電容充電后會靜態放電,下線主板由波 峰焊入口到錫爐位置需5 min,同步做電容靜態放電試驗,如圖6所示,表明電容殘余電壓隨時間遞減。 

2)電解電容插裝后由插件段至波峰焊錫爐過程 中,因鏈爪不平穩電容在晃動過程中引腳會碰到焊點過 孔沉銅,經由印制線路板回路中耗能器件,加速電容 放電。經驗證,電容充電后,人為晃動電容會加速放 電。同步對充電后電容在波峰焊內部不同階段殘余電壓 測量,浸錫前殘余電壓相差較大,高可至20 V,低可至 5 V以下,表明電容帶電插裝后其放電過程屬隨機過 程,存在偶發性。

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3)高壓電解電容放電擊穿芯片發生在主板浸錫過 程中,因該芯片為SMT貼裝,需滿足電容引腳和芯片1 腳測試點同時接觸錫面方可實現放電。錫爐的錫面為鋸 齒狀斜坡面,波峰高度有差異。同時,若電容雙引腳浸 錫則放電給錫面而不會給芯片。 

結合以上三點,高壓電解電容放電擊穿芯片需空間 與時間上同時滿足要求,為概率性事件,此為該芯片零 星下線原因。

3  失效機理分析 

3.1 失效機理 

對主板電路及過板方向進行分析,電容負極與開關 電源芯片5腳共地,芯片1腳與過孔測試點共線路。當測 試點、電容正極同時處于錫面時,電容的正極與測試點 通過錫面連通,即此時電容正極與芯片1腳連通形成回 路,相當于電容儲存電量直接作用于開關電源芯片,致 使芯片失效,失效機理如圖7所示。

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用導線將電容的正極與測試點短接,模擬過錫爐情 形,短接導線模擬測試點與電容正極同時浸錫錫面。 電容充電后插裝,測試芯片1~5腳阻抗,阻抗異常,與 下線現象一致。同步增加電容帶電插裝驗證,故障可 復現。 

3.2 失效模式確認 

此開關電源芯片共使用在7款PCB上,統計18個月 生產數量及芯片下線數量如表1所示。

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從上表可以得出,迄今此開關電源芯片所用的板, 只有C、D兩款主板有下線,針對此主板上的開關電源 芯片、電容、測試點、過板方向等布局展開研究。

B主板從過板方向看,電容先于芯片1腳測試點浸 錫,電容過錫爐時電容正負極先接觸錫面,測試點還未 接觸錫面前電容已放電,因此沒有電容放電給芯片的 條件。

 F、G 兩款主板芯片1腳的測試點先接觸錫面,而后 電容正負極引腳同時浸錫,三者有共同處于錫面的時 間,但當電容的正負極同時浸錫時,電容即放電,不會 再通過測試點回路放電給芯片。 

A、E兩款主板從過板方向看,芯片1腳測試點先過 錫爐,存在電容、測試點同時處于錫面的條件,但是此 主板的電容是負極先接觸錫面,即存在電容負極、測試 點同時處于錫面的情況。此時電容負極通過錫面與測試 點連通,測試點與芯片1腳連通,即電容負極與芯片1腳 連通,而電容的負極與芯片的5腳是連通的,此時相當 于電容的負極同時與芯片的1腳和5腳連通,而此時電容 的正極在錫面以外,顯然無放電回路,如圖8所示。當 電容的正極進入錫面以后,電容的正極與負極通過錫面 連通,電容的電會直接通過錫爐釋放。

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排查C、D兩款主板歷史在線失效數據時,了解到 此兩款主板的最初生產的階段此開關電源芯片無在線失 效案例,進一步調查發現,此兩款主板 進行過三次版 本升級,更改后開始出現芯片在線失效,對比幾次更改 情況,第一次更改調整了電容、芯片、測試點的布局, 改變了波峰焊階段電容放電回路,滿足電容對芯片放電 的條件,此點更改后一直延續到后面的版本,因此第一 次更改后的版本都出現過此芯片的零星下線。 

為驗證以上分析的準確性,將C、D兩款主板改變 過板方向,從而破壞了電容放電給芯片的放電回路,累計驗證數據超過3 W,開關電源芯片無一在線失效案 例,進一步佐證了分析的準確性。

4  結論與對策 

4.1 研究結論 芯片生產線失效的原因為同主板的高壓電解電容存 在放電不徹底的情況,當主板經過錫面時,電容的正極 與芯片1腳的測試點同時處在錫面,而測試點是與芯片1 腳連通的,同時電容的負極與芯片的5腳連通,即相當 于電容的正負極分別加在芯片的1腳和5腳,從而將參與 電壓釋放在上,導致芯片過電失效,原理如圖7所示。 

對于DIP封裝的芯片,無需依靠測試點,芯片的引 腳直接與錫面接觸,此種情況下,需考慮芯片上高壓電 解電容在主板上的空間布局,同時要考慮錫面的寬度。 芯片過電損傷后,其在廠內并不以某種失效形式表現, 但長期運行影響芯片及成品可靠性。 

4.2 解決對策 

為減少因高壓電解電容未放電插裝導致的芯片失 效,可選擇以下方案進行解決: 

1)的空間布局滿足電解電容兩正負引腳的連 線垂直波峰焊過板方向,既確保電容的正負引腳同時進 入錫面,將可能存儲的電放給錫面。 

2)貼片封裝的芯片考慮將其測試點布控在遠離高 壓電解電容的位置,具體是平行過板方向的距離大于波 峰焊錫爐錫面的距離,DIP封裝芯片考慮芯片本身遠離 高壓電解電容的位置,具體是平行過板方向的距離大于 波峰焊錫爐錫面的距離,同時確保與芯片引腳連通的電 容引腳先到達錫面。

參考文獻: 

[1] 袁寶玉, 侯旎璐, 李進. 電壓檢測芯片失效分析 [J]. 電子產品可 靠性與環境試驗, 2017, 35(4): 49-56. 

[2] 黃偉華, 陶書梓. 從鋁電解電容典型失效案例分析看品質提升 [J]. 光源與照明, 2013(3): 19-24. 

[3] 潘啟軍, 黃垂兵, 鄧晨. 電解電容與薄膜電容對比分析 [J].海軍 工程大學學報, 2014,26(2): 5-9. 

[4] 熊克勇, 項永金, 崔斌, 等. 變頻空調開關電源電路開關芯片 炸失效分析與研究 [J]. 電子產品世界, 2016(2): 40-42. 

[5] 周慧德. 開關電源中鋁電解電容可靠性的研究 [D], 哈爾濱, 哈爾濱工業大學, 2010.

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第03期第66頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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