空調電路板使用穩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壓塊在生產、裝配和使用過程中于設計、晶圓加工、封裝、過程應力、過電損傷等環境下的損傷機理及防護措施。常見的穩壓塊為三端穩壓塊，作用是將電壓進行降壓處理，并將電壓穩定在某一固定值后輸出。

引言

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

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

1 穩壓塊的晶圓制作問題

　　穩壓塊是一種運用成熟的半導體元件，但其晶圓加工過程會有較為隱蔽的問題出現。穩壓塊的晶圓加工和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極其微小的污染源或曝光強度偏差，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，是因為封裝前的晶圓測試會比封裝后的性能測試復雜得多，其中最主要的原因是晶圓測試的測試點過多。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鍵性能，忽略一些隱性性能，導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。該故障是一個穩壓塊的批量問題，故障表現為穩壓塊常溫下工作正常，在高溫35℃以上表現為高溫保護無輸出，但35℃并未達到保護溫度。經過多方面分析，最終鎖定為穩壓塊溫度保護電路中一個齊納二極管參數異常導致該故障，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，發現其導通電壓達到了9V(如圖3所示)，而正常品為6.8V，其參數已經遠大于要求值，其保護電壓也會受到影響。

　　對結構方面進行分析，將切割下的齊納二極管與正常品對比，發現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為：該二極管連接在電路中，需要采用5點測試法才能確定其性能，而5點測試耗時較多，廠家就采取了3點測試法，無法準確測試出其導通值，導致測試疏漏，進而將功能失常的產品流出，而廠家在封裝后測試性能，沒有高溫測試環境，導致故障品沒有檢出，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，監控其工作狀態，如果有不合格的可直接挑選出。

2 封裝異常導致銅絲短路

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

　　如圖5(a)中所示，穩壓塊的銅線出現漂移現象，此種現象為灌注環氧樹脂時，灌注速度過快，環氧樹脂沖擊銅線，導致綁定的銅線漂移，進而導致短路。此種短路并不是所有故障品都可以及時測試出來的，因為銅線周圍有環氧固定，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，短路點在沖擊下接觸，短路故障現象就會隨時表現出來。

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

　　穩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范的現象，接觸到綁定銅線，就會出現倒絲的現象，此點需要嚴格規范員工的操作手法。

　　穩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，就會導致切割不徹底，有銅屑殘留，最后造成短路故障。

3 應力問題

　　穩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，這樣就會導致穩壓塊散熱面發生一定的形變，而這個過程會導致穩壓塊的晶圓與周圍的環氧材料之間形成應力。環氧材料并不是一種優質的保護材料，環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生直接損傷導致元件功能失效，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層，防止環氧晶體顆粒對晶圓產生損傷，但此種方案實施成本較高。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。過電損傷多出現在選型問題上，如較小功率或較小電壓的穩壓塊，用于大功率電路或者大電壓電路中，最終導致穩壓塊失效的故障。由于穩壓塊使用較為廣泛，目前用法基本成熟，故此種損傷現在非常少見。其次就是靜電損傷。靜電損傷分為機械模式損傷和人體模式損傷兩種。

4.1 其中機械模式對穩壓塊損傷更常見

　　穩壓塊加工過程中很容易使用到機械設備，這些機械設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，很容易產生較高的感應電壓，這種情況下機械加工穩壓塊很容易造成穩壓塊失效。實驗結論表明，當感應電壓超過300V時就會造成穩壓塊直接損傷。

4.2 人體模式對穩壓塊損傷較小

　　穩壓塊內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才會導致靜電損傷，人體紡織物在冬季時可達萬伏以上的靜電，在春夏季則很難達到(此點和地域有直接關系)。在這種情況下，關于穩壓塊，靜電防護還是必要的。

5 總結

　　穩壓塊失效機理和大多數半導體失效機理類似，穩壓塊同時具有功率器件的應力損傷、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致其失效。穩壓塊具有電壓穩定的功能，承擔著電路電源供給的重任，其失效就會導致電路的癱瘓，故穩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《電子產品世界》2016年第5期第38頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。