作者/ 項永金 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201704/358523.htm項永金(1988-)，男，助理工程師，研究方向：半導體器件及功率器件可靠性分析與研究整改。
摘要：變頻空調控制器櫃機主板在生產過程出現大量IPM炸裂失效 ，IPM炸失效同步自舉二極體失效，位置不集中，對主板進行分析，確定是IPM自舉電路升壓二極體異常導致IPM炸裂失效，經過對大量失效二極體及全檢異常二極體分析，分析研究結果表明：二極體因為晶圓設計工藝結構缺陷、焊接工藝問題，導致晶圓焊接時產生高溫銅遷移，抗機械應力水平下降，在實際應用中又因為器件引腳跨距設計不合理導致器件受機械應力影響加深失效程度，最終出現過電擊穿失效，經大量的方案分析驗證最終確定可行的方案，有效解決二極體銅遷移失效。從器件本身提高器件的應用可靠性。
引言
快恢復二極體簡稱FRD，內部結構與普通二極體不同，屬於PIN結型二極體，即在P型矽材料與N型矽材料中間增加基區，構成矽片，因為基區很薄，反向恢復電荷小，所以快恢復二極體的反向恢復時間很短，正向壓降低，反向擊穿電壓高。該二極體在電器產品控制系統中廣泛應用，主要應用在空調主板開關電源及壓縮機驅動控制逆變電路中，二極體失效直接導致主板電源部分不能正常工作，嚴重影響產品質量，A企業生產過程短時間內出現大比例的IPM炸失效，經過大量信息統計及電路設計方面排查分析，是二極體異常導致，該問題嚴重影響我司產品質量，一段時間內一直都沒有找到失效原因，對二極體大量失效品深入分析研究及快速解決二極體過電失效尤為重要，研究二極體失效原因及失效機理，採取有效改善預防措施，具有非常重要意義。
1 二極體高溫銅遷移失效產生原理
快恢復二極體由兩部分組成，即二極體矽晶圓和杜美絲銅引線部分，晶圓與杜美絲採取高溫焊接後進行樹脂封裝成型，矽晶圓主要物質成分SiO2，銅在SiO2中擴散速度很快，而且銅是矽的深能級受主雜質，擴散到Si中並在Si的禁帶中形成幾個深能級受主能級，這些能級會充當產生複合中心或陷阱而改變非平衡少子的濃度與壽命，如果二極體在製造過程中工藝設計不當，矽晶圓與杜美絲之間實際沒有有效覆蓋阻擋層，在高溫焊接過程中就可能會產生銅遷移，設計必須保證矽晶圓與銅引線之間形成有效阻隔層，隔絕銅原子遷移與Si發生反應，銅遷移產生原理及發生反應過程如圖1所示，Si可以和很多金屬形成化合物，二極體晶圓焊接實際使用是目前最通用的杜美絲(銅引線)，當銅因為受到高溫焊接或是高溫環境時易產生銅原子遷移，如果二極體工藝結構設計沒有對銅與矽晶圓之間採取有效的阻隔，在高溫環境下銅原子會產生遷移，並從3位置溝道侵入到Si晶圓表面，並與Si發生反應生成矽酮化合物(矽化銅)Cu3Si、Cu4Si。矽化銅性能差電阻率高，會導致二極體漏電流增大(原極與漏極淺結處產生漏電流)，晶元與杜美絲結合力大幅度下降。
2 快恢復二極體應用電路工作過程及器件失效分析
2.1 快恢復二極體應用電路工作過程
主板失效表現為IPM炸裂失效，經過對失效主板進行檢測分析及大量信息收集，確定二極體、IPM等失效集中在DCT測試工序上電瞬間，壓縮機未啟動即出現失效，接下來簡單分析逆變電路上電瞬間工作過程。電路工作簡圖如圖2所示。
二極體失效集中IPM自舉電路，對IPM自舉電路工作原理及過程進行分析，電壓自舉抬升就是利用電路自身產生比輸入電壓更高的電壓，實質是利用電容兩端電壓不能瞬間突變通過對電路進行調節控制來改變電路某點的瞬時電位，自舉電路一般由四部分組成，即電源供電部分、自舉電阻、自舉二極體和自舉電容。
2.2 工作過程
系統初始在上電瞬間自舉電容兩端電壓為零，如果IPM需要正常啟動工作，驅動電路VCC就需要正常供電，初始化時沒有電壓，在IPM工作前，需要對自舉電容進行充電，通過控制驅動信號足夠脈衝數量，精確控制IGBT開通，將電容兩端電壓抬升至目標電壓，具體工作過程為：在上電瞬間需要對自舉電容進行充電，下橋臂的IGBT開通將對應相輸出電壓拉低到地，電源通過自舉電阻、自舉二極體對電容進行充電。
當上橋IGBT開通時，輸出電壓再次升至母線電壓水平。電容兩端電壓因不能突變，兩端電壓仍保持在供電電壓水平，同時給IGBT驅動提供電壓。自舉二極體反向截止，將弱電電源部分與母線電壓有效隔離，避免強電導入弱電擊穿電路器件，以上是單個循環，後續周而復始進行。
電路分析結果表明，通過對IPM自舉電路初始上電工作瞬間工作原理及工作過程進行分析發現，在電路開始工作之前系統初始化階段，下橋IGBT開啟自舉電容充電過程二極體承受電壓最小，二極體不會存在過壓失效可能，上橋IGBT開啟過程二極體此時起到強弱電的有效隔離，兩端承受電壓最大，除IPM外為此電路承受電壓衝擊頻率最大器件，如果器件因各種因素導致反向耐壓偏低極易出現器件反向耐壓不足擊穿失效。導致內部IGBT開通異常急劇發熱炸裂，所以經過對失效主板分析及器件應用電路分析判斷，二極體異常導致炸板，經過實際模擬驗證二極體耐壓偏低確實可以導致模塊炸失效，與下線故障現象一致。
2.3 二極體X光透射、電鏡掃描分析
經過對失效二極體進行X光透射分析，二極體晶元與杜美絲之間焊接部分有焊料融化外延跡象，先燒裂後破損。是融化矽向外延升，使用電鏡掃描可以看到有釺料融化跡象，二極體X光透射與電鏡掃描分析圖片如圖3所示。
2.4 開封解析
二極體失效經過分析一直是機械應力導致失效，生產過程問題，後採取大比例對異常批次二極體進行全檢，來料全檢發現多單二極體反向漏電流嚴重超標，實測值在1000MA以上，二極體全檢異常品未進行強電測試，對全檢漏電流超標二極體進行開封解析同樣存在晶元裂紋，將二極體寄給安森美分析確認晶圓同樣有裂紋，開封解析及電鏡掃描圖如圖4所示。
2.5 二極體晶圓裂紋產生機械應力影響分析
排查二極體自插環節設備發現，二極體插裝後引腳存在嚴重的應力，兩邊引腳嚴重變形。有內應力損傷問題，一般設計要求建議打點位置中心點到元件本體側面的距離在1.5～2倍的D(本體直徑)，實際主板引腳跨距是1:1的尺寸。一般二極體引線跨距設計要求，引線直徑在0.7-0.8，彎腳點離本體距離最小要在3.5左右，下線機型集中在使用了PCB 37002488的機型上面，失效位置集中在IPM(D18-D20)當中，而在開關電源電路D701當中該二極體失效較少;根據對PCB板圖紙的排查，同一款PCB：IPM(D18-D20)間距為10.16mm,而電源電路D701卻為13.6mm。
按照IPM(D18-D20)間距為10.16mm，達不到此要求，若是彎角時輕微受力再經過波峰焊的作用更容易出問題了;分析判定，部分PCB 35030124二極體插裝間距設計不符合廠家推薦的插裝間距要求，也不符合我司標準封裝庫35030124 13.5mm要求。
二極體插裝前剪腳沒有固定引腳進行成型，導致二極體插裝後左右引腳成型不良，實際設備無法保證，存在應力隱患。
二極體應用PCB板設計引腳之間插裝跨距設計不合格要求，跨距偏小，導致自插受力隱患大。
3 影響二極體高溫銅遷移產生因素分析
3.1 溫度
銅產生銅原子並產生遷移溫度大約是從350°開始，溫度越高銅原子運動越活躍，遷移速率越快，受溫度影響很大，該快恢復二極體晶圓實際焊接溫度370°，存在銅原子遷移條件。焊接溫度是很重要影響因素生產時一定注意溫度的控制。
3.2 引線焊接材質
二極體晶圓焊接使用的引線是銅材質，銅材質相對鋁材質導熱性能好、電阻率低、熱膨脹係數小、熔點高。但是使用銅材質引線就避免不了銅原子產生及遷移。
3.3 矽晶圓表面保護阻隔層覆蓋不到位
二極體晶圓表面未形成有效的保護阻隔層，設計應保證晶圓表面特別是邊緣位置必須有效覆蓋防止出現晶圓邊緣位置因為封溝設計、或是製造過程出現問題導致矽晶圓實際沒有有效的覆蓋，為銅原子遷移與矽發生反應提供充足條件。
4 二極體高溫銅遷移失效解決方案
二極體過電失效經過分析是二極體晶圓焊接產生高溫銅遷移失效，防止銅遷移產生有效手段通過在矽與銅直接建立起有效的阻隔層，一般方法是銅引線部分使用鎳進行鍍層，防止銅原子遷移，二極體晶圓表面形成有效保護層，可以有效隔離遷移過來銅原子，避免產生還原化學反應。銅矽之間增加活性差的難溶金屬SiN、Ta、Ti等。
經過大量實驗驗證最終確定銅遷移整改方案，具體整改方案如下。
4.1 改善晶圓的設計結構
有效封住晶圓上的裸漏部分溝道，延長覆蓋長度，即使有銅遷移，也不會流到矽表面，從而杜絕生成矽化銅。在晶片表面金屬層增加覆蓋面到 45μm 從而加強二極體抗壓能力。 整改方案如圖5所示。
4.2 增加銅引線阻隔防護層
二極體的引腳增加NI層，使在焊接過程中不會產生銅原子遷移。並起到隔熱作用。
4.3 PCB跨距整改結果
安森美35030124二極體MUR180E出現炸板異常問題，經過排查分析發現二極體位置引腳跨距存在差異，會增加器件受力可能， 通過排查分析評估後將D18、D19、D20封裝焊盤間距進行優化，將間距由10.16mm更改為13.5mm。
5 結論
經過將大量過程失效及全檢失效二極體分析，確定全檢製品也有存在晶元有裂紋異常。最終確定二極體失效是廠家生產過程晶元與杜美絲焊接工序存在問題，引腳(銅質)上的銅在370度的焊接溫度下(在代工廠壓接過程中)，銅原子遷移到晶圓表面，並生成矽化銅，從而導致器件漏電流增大。導致失效的原因是「銅遷移」，由於產生銅遷移導致晶元與杜美絲結合力大幅度下降，生產過程出現晶元受外在機械應力產生裂紋，後在製造使用過程再次自插剪腳受力導致裂紋程度加重，在整機通電後因器件電性能衰降反向耐壓不足導致二極體擊穿失效，強電直接引入弱電導致模塊與其他器件過電擊穿失效炸裂。針對二極體銅遷移採取對晶圓表面增加延長覆蓋面積至45μm及引線鍍鎳有效解決銅原子遷移與矽發生還原反應，解決二極體高溫銅遷移失效不良。
參考文獻:
[1]曹博.銅矽體系的擴散和界面反應[D]蘭州大學,2008.
[2]曹博,包良滿,李公平,等.Cu/SiO_2/Si(111)體系中Cu和Si的擴散及界面反應[J].物理學報,2006,55(12):6550-6555.
本文來源於《電子產品世界》2017年第5期第51頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。