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    微波功率器件热结构缺陷分析(三)

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    C-SAM(声学扫描)、X-RAY分析应用(三)
    ——微波功率器件热结构缺陷分析

    编写:李少平李萍

    陶瓷封装微波功率器件热结构缺陷分析案例

    微波功率器件失效机理复杂,失效分析难度大,主要表现在:
    ①微波功率器件属于静电放电敏感器件

    微波功率器件工作在微波频率范围,微波通路上每个节点的等效电容量必须

    符合器件在微波工作频率下的要求,限制了微波器件端口静电放电保护。微波器

    件多数属于静电放电敏感的器件,尤其是MOS型功微波率器件,是静电放电极

    其敏感的器件。

    ②驻波可导致器件过电压或过功率击穿失效

    器件工作在微波频率,如果微波通路上阻抗匹配出现异常,就可能产生驻波,

    导致大电压和大功率,最终引起器件因过电压或过功率而失效。

    ③失效扩大

    微波器件属于功率输出器件,一旦由于某种原因引起短路失效,其电源将提

    供足够的功率,加上微波功率,使失效部位进一步扩大,因此而掩盖器件初始失[url] 链接[/url]êKaoXing.com。

    效的特征,导致失效分析难度增大。

    ④微波器件装配工艺复杂,装配缺陷具有隐蔽性

    由于微波器件工作的特点,导致其装配工艺复杂,而且装配工艺的缺陷具有

    一定的隐蔽性,如金丝键合缺陷、芯片烧结缺陷等等。

    对微波器件的失效分析,一方面从失效表征诊断样品的失效机理,但往往因

    为微波器件失效的复杂性而难以确定一个准确的结论,常常需要通过器件缺陷的

    直接分析以及缺陷、失效表征与失效机理的对应性,必要时,通过试验验证来诊

    断微波功率器件的失效机理。

    微波功率器件通常由多个功率芯片并联和阻抗匹配网络组成,属于多芯片组
    装,通常采用元器件烧结在陶瓷(一般为氧化铍陶瓷)基板、陶瓷基板烧结在底

    (管壳)的结构,结构示意图见图1。

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    图1微波功率器件内部结构示意图

    从微波功率器件的结构示意图可见,微波功率器件有两个烧结界面,如果烧

    结工艺存在缺陷,可引起微波器件散热不良,导致微波功率器件的芯片过热而击欢迎访问中国可靠性网KeKaoxing.com

    穿失效。

    微波功率器件过热特征可以是多种因素引起的,如散热不良引起过热击穿、

    驻波引起过电压或过功率击穿、承受过功率引起击穿等,因此,必须根据器件的

    失效特征、结合器件的结构缺陷、器件失效时的应用状态应力以及环境应力,综

    合分析器件的各方面的因素,诊断器件的失效机理。

    具有过热、过功率失效特征的微波器件,开展热结构分析,可区分热结构缺

    陷和过功率引起的失效。下面以××××型号功率器件为例,阐述C-SAN、X-

    RAY在微波功率器件失效分析中的应用。

    失效过程:样品已随整机经过低温贮存、低温工作、高温贮存、高温工作、

    温度-高度试验、加速度和温度冲击试验,现场累计工作时间为40小时。在进

    行了温度冲击试验后,器件发生失效。
    通过对失效样品的C-SAM(声学扫描)观察可见:失效样品的陶瓷与底座

    (管壳)之间的烧结界面存在大面积空洞,见图2,陶瓷基板与管壳之间存在严

    重的热缺陷;失效样品中共6只芯片并联,其中有一只芯片与陶瓷基板之间烧结

    存在大面积空洞,见图3。中国可靠性网

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    图2陶瓷基板与管壳之间C-图3芯片与陶瓷基板之间C-

    SAM扫描形貌(中间长方形块SAM扫描形貌(白线上共6只

    中红色部分为陶瓷烧结空洞,黄芯片,其中左起第5只芯片呈现

    色为烧结良好)红色,为烧结空洞)中国可靠性网可靠性、com

    X-RAY观察发现:在C-SAM观察中到芯片烧结不良的位置上,灰度明

    显比其它芯片低,见图4,证明该芯片的烧结材料明显比其他地方少。

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    图4X-RAY观察形貌(蓝框中的图5芯片布局(白线上共有6只芯

    芯片呈现低灰度——烧结焊料粘润不片,烧结不良的芯片位置在红框中)

    良,红框对应于声扫发现的空洞)

     

    图5是样品芯片严重过热烧毁的形貌照片、芯片烧结空洞的位置。

    C-SAM、X-RAY分析证明,失效样品存在严重的烧结缺陷,会产生严重

    的散热不良问题,尤其是图3中所示的左起第5只芯片,整个芯片都未能形成良

    好烧结,该芯片的散热条件极为恶劣。由于失效样品采用6只芯片并联,见图5,

    正常工作时,微波功率是平均分配到每只芯片上的,由于该芯片存在严重的烧结

    缺陷,显然该芯片工作时温度远高于其他芯片,因此在样品使用过程中,该芯片
    因过热而首先失效。
    正是由于样品采用6只芯片并联,某芯片击穿烧毁,一方面,引起其他芯片

    平均负担功率增大;另方面,破坏输出回路的阻抗匹配,引起大驻波产生和或驻

    波增大。由于某芯片的过热击穿烧毁,最终引起其他芯片击穿烧毁。

    案例提示:[url] 链接[/url]可靠性.com

    ①微波功率器件一般是多芯片(包括放大晶体管芯片、匹配电容器和电阻等)

    电路,都采用陶瓷基板进行组装,存在两个烧结面,任何一个烧结面存在异常,

    均可能导致微波功率器件散热不良,而引起放大晶体管过热击穿失效。

    ②微波功率器件存在两个烧结界面,在烧结界面的缺陷分析方面应采用C-

    SAN、X-RAY两种分析方法结合,相互验证,可以确认烧结缺陷的部位和程度。

    ③界面烧结缺陷是微波功率器件的主要失效原因,应引起微波功率器件生产

    单位和使用单位的高度重视。

    题外话:

    委托单位应根据失效分析结果进行:

    第一步,对产品烧结缺陷开展100%筛选,剔除存在烧结缺陷的产品;

    第二步,开展烧结缺陷的工艺控制。中国可靠性网可靠性、com

    Lv.1
    定!!!!!!!!!!
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    Lv.1
    不错~学习了。。。
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    Lv.4
    工艺的重要性,可见一斑
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