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高压电解电容波峰焊放电击穿板上芯片的机理研究及对策

作者:王大波,施清清,李会超,等时间:2020-03-03来源:电子产品世界收藏

王大波,施清清,李会超,宗 岩 (珠海格力电器股份有限公司,广东珠海519000)

本文引用地址:/article/202003/410492.htm

摘 要:作为困扰电子行业的难题,失效机理复杂,对于因生产现场环境造成的过电、静电失效,环 节无法锁定。通过对带电插装对印制电路板上芯片损伤分析,确定主板过时锡面连锡短路 导致放电芯片的失效机理,并制定管控对策,有效降低不良。 

关键词:

0  引言 

随着电子技术的发展,小型化、集成化的芯片被应 用于各个领域,如何保证自身可靠性及产品质量成为芯 片厂商不断深入研究的热点。但芯片因生产环境、使用 环境苛刻,失效情况时有发生[1]。目前业界已经识别到 的失效原因分两大类:①芯片本身制造缺陷;②生产 现场不规范操作导致失效。业内常用的失效分析方法 包括:芯片开封、X-Ray无损探伤、SEM扫描电镜、 EMMI侦测等。此类分析方法对于芯片制造缺陷,如晶 元异常、金线绑定异常等能直观判断失效环节,但是对 于因生产现场环境造成的EOS(过电应力)、ESD(静 电放电)却难以锁定失效点,给生产、产品质量改善带 来不便。 

电解电容因容量大,广泛应用于输出滤波电路中, 起储能和滤波作用[2-3]。高压电解电容因其制造工艺及 电子特性,在插装前会残留部分电压,而残留电压对于 电路板上半导体器件的影响一直被行业内电路设计者所 忽略。学者针对高压电解电容残留电压对芯片失效进行深入研究,并做了充分试验验证。结果表明高压电解电 容未放电即插装,在过时会通过锡面将残留电压 作用于芯片上,致使芯片失效。同时,学者通过大量数 据验证,通过改进电路布局或过板方向,有效解决了因 高压电解电容未放电导致的芯片失效,降低产品不良 率,提高产品可靠性[4-5]。

1  案例分析 

1.1 背景 

控制器车间生产某两款主板,某厂家开关电源芯 片零星下线,批次不集中,失效外在表现为芯片的1脚 (使能脚)与5脚(地脚)之间阻抗值异常,正常品阻 抗为M欧级别,失效品阻抗为K欧级别。对正常、异常 芯片分别测试U-I曲线,如图1、图2所示,表明芯片失 效,有漏电流。图3、图4为异常芯片X-Ray图像,结果 表明芯片内部结构无明显异常。经厂家对芯片开封确 认,如图5所示,确认芯片失效模式为过电损伤。

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1.2 分析过程 

取库存开关电源芯片,对 PIN1(EN/UV)脚与 PIN5(S)脚施加15 V直流电压,测试阻值,试验后芯 片1~5脚阻抗在10 kΩ左右,与下线异常品阻抗一致, 测试U-I曲线与下线品一致,存在明显漏电。经对芯片 开封确认,芯片属过电失效。 

对生产线及员工的静电防护、在线测试设备进行排查,未发现异常。为锁定失效环节,对未上线芯片全检 1~5脚阻抗,无异常后进入下一生产流程。最终锁定失 效环节发生在主板进入波峰焊后与出波峰焊间,进一步 检查波峰焊设备接地状态及防静电检查,无异常。初步 分析为高温导致芯片失效。因芯片为SMT贴装,对比回 流焊、波峰焊温度及过板时间,回流焊环境更为恶劣, 但未出现异常。同步安排芯片高温、低温、冷热冲击、 高温潮态试验均未发现异常,锁定失效发生在波峰焊浸 锡环节。 

对开关电源芯片电路分析,电路中有450 V/22 μF的 电解电容,初步锁定过电源为电解电容放电异常。经验 证,使用直流电源对主板上电解电容充15 V的直流电后 对开关电源芯片1-5脚进行放电,芯片失效,与下线样 品现象一致。查询该芯片技术参数,PIN1脚(EN/UV) 工作的最大额定电压为9 V,高于9 V有过电隐患。 随机抽取350个未上线使用的电解电容测试残余电压, 有3个电压高于10 V,理论上高压电解电容残余电压在 未放电即插装使用存在击穿芯片隐患。

2  实验验证 

2.1 验证条件及结果 

1.同编码电容及下线主板; 

2.残余电压:30 V; 

3.验证数量:30 PCS; 

4.验证结果:未复现。 

2.2 原因分析 

通过对生产过程及波峰焊内部构造分析,确认未复 现原因有以下3点: 

1)电解电容充电后会静态放电,下线主板由波 峰焊入口到锡炉位置需5 min,同步做电容静态放电试验,如图6所示,表明电容残余电压随时间递减。 

2)电解电容插装后由插件段至波峰焊锡炉过程 中,因链爪不平稳电容在晃动过程中引脚会碰到焊点过 孔沉铜,经由印制线路板回路中耗能器件,加速电容 放电。经验证,电容充电后,人为晃动电容会加速放 电。同步对充电后电容在波峰焊内部不同阶段残余电压 测量,浸锡前残余电压相差较大,高可至20 V,低可至 5 V以下,表明电容带电插装后其放电过程属随机过 程,存在偶发性。

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3)高压电解电容放电击穿芯片发生在主板浸锡过 程中,因该芯片为SMT贴装,需满足电容引脚和芯片1 脚测试点同时接触锡面方可实现放电。锡炉的锡面为锯 齿状斜坡面,波峰高度有差异。同时,若电容双引脚浸 锡则放电给锡面而不会给芯片。 

结合以上三点,高压电解电容放电击穿芯片需空间 与时间上同时满足要求,为概率性事件,此为该芯片零 星下线原因。

3  失效机理分析 

3.1 失效机理 

对主板电路及过板方向进行分析,电容负极与开关 电源芯片5脚共地,芯片1脚与过孔测试点共线路。当测 试点、电容正极同时处于锡面时,电容的正极与测试点 通过锡面连通,即此时电容正极与芯片1脚连通形成回 路,相当于电容储存电量直接作用于开关电源芯片,致 使芯片失效,失效机理如图7所示。

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用导线将电容的正极与测试点短接,模拟过锡炉情 形,短接导线模拟测试点与电容正极同时浸锡锡面。 电容充电后插装,测试芯片1~5脚阻抗,阻抗异常,与 下线现象一致。同步增加电容带电插装验证,故障可 复现。 

3.2 失效模式确认 

此开关电源芯片共使用在7款PCB上,统计18个月 生产数量及芯片下线数量如表1所示。

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从上表可以得出,迄今此开关电源芯片所用的板, 只有C、D两款主板有下线,针对此主板上的开关电源 芯片、电容、测试点、过板方向等布局展开研究。

B主板从过板方向看,电容先于芯片1脚测试点浸 锡,电容过锡炉时电容正负极先接触锡面,测试点还未 接触锡面前电容已放电,因此没有电容放电给芯片的 条件。

 F、G 两款主板芯片1脚的测试点先接触锡面,而后 电容正负极引脚同时浸锡,三者有共同处于锡面的时 间,但当电容的正负极同时浸锡时,电容即放电,不会 再通过测试点回路放电给芯片。 

A、E两款主板从过板方向看,芯片1脚测试点先过 锡炉,存在电容、测试点同时处于锡面的条件,但是此 主板的电容是负极先接触锡面,即存在电容负极、测试 点同时处于锡面的情况。此时电容负极通过锡面与测试 点连通,测试点与芯片1脚连通,即电容负极与芯片1脚 连通,而电容的负极与芯片的5脚是连通的,此时相当 于电容的负极同时与芯片的1脚和5脚连通,而此时电容 的正极在锡面以外,显然无放电回路,如图8所示。当 电容的正极进入锡面以后,电容的正极与负极通过锡面 连通,电容的电会直接通过锡炉释放。

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排查C、D两款主板历史在线失效数据时,了解到 此两款主板的最初生产的阶段此开关电源芯片无在线失 效案例,进一步调查发现,此两款主板 进行过三次版 本升级,更改后开始出现芯片在线失效,对比几次更改 情况,第一次更改调整了电容、芯片、测试点的布局, 改变了波峰焊阶段电容放电回路,满足电容对芯片放电 的条件,此点更改后一直延续到后面的版本,因此第一 次更改后的版本都出现过此芯片的零星下线。 

为验证以上分析的准确性,将C、D两款主板改变 过板方向,从而破坏了电容放电给芯片的放电回路,累计验证数据超过3 W,开关电源芯片无一在线失效案 例,进一步佐证了分析的准确性。

4  结论与对策 

4.1 研究结论 芯片生产线失效的原因为同主板的高压电解电容存 在放电不彻底的情况,当主板经过锡面时,电容的正极 与芯片1脚的测试点同时处在锡面,而测试点是与芯片1 脚连通的,同时电容的负极与芯片的5脚连通,即相当 于电容的正负极分别加在芯片的1脚和5脚,从而将参与 电压释放在上,导致芯片过电失效,原理如图7所示。 

对于DIP封装的芯片,无需依靠测试点,芯片的引 脚直接与锡面接触,此种情况下,需考虑芯片上高压电 解电容在主板上的空间布局,同时要考虑锡面的宽度。 芯片过电损伤后,其在厂内并不以某种失效形式表现, 但长期运行影响芯片及成品可靠性。 

4.2 解决对策 

为减少因高压电解电容未放电插装导致的芯片失 效,可选择以下方案进行解决: 

1)的空间布局满足电解电容两正负引脚的连 线垂直波峰焊过板方向,既确保电容的正负引脚同时进 入锡面,将可能存储的电放给锡面。 

2)贴片封装的芯片考虑将其测试点布控在远离高 压电解电容的位置,具体是平行过板方向的距离大于波 峰焊锡炉锡面的距离,DIP封装芯片考虑芯片本身远离 高压电解电容的位置,具体是平行过板方向的距离大于 波峰焊锡炉锡面的距离,同时确保与芯片引脚连通的电 容引脚先到达锡面。

参考文献: 

[1] 袁宝玉, 侯旎璐, 李进. 电压检测芯片失效分析 [J]. 电子产品可 靠性与环境试验, 2017, 35(4): 49-56. 

[2] 黄伟华, 陶书梓. 从铝电解电容典型失效案例分析看品质提升 [J]. 光源与照明, 2013(3): 19-24. 

[3] 潘启军, 黄垂兵, 邓晨. 电解电容与薄膜电容对比分析 [J].海军 工程大学学报, 2014,26(2): 5-9. 

[4] 熊克勇, 项永金, 崔斌, 等. 变频空调开关电源电路开关芯片 炸失效分析与研究 [J]. 电子产品世界, 2016(2): 40-42. 

[5] 周慧德. 开关电源中铝电解电容可靠性的研究 [D], 哈尔滨, 哈尔滨工业大学, 2010.

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第03期第66页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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