引言

金屬陶瓷封裝PIN二極管因具有尺寸小、結(jié)電容低、功率容量高、切換速率快等優(yōu)點,在高速射頻與微波開關(guān)電路中具有不可替代的作用。然而該型PIN二極管由于其特殊的工藝、材料、結(jié)構(gòu)等特點,在器件應用時,特別容易出現(xiàn)一定的早期失效,若處置不當,會給批量生產(chǎn)帶來不可預測的經(jīng)濟損失。如不正確的器件安裝,可能會導致引腳斷裂脫落,器件內(nèi)的芯片、陶瓷電路片開裂等。此外,元器件的焊接工藝對器件使用的可靠性起著至關(guān)重要的作用。如果PIN二極管焊接質(zhì)量不可控,如焊錫過少、焊點粗糙等,極易造成長時間使用時產(chǎn)生虛焊:而如果焊錫過多或焊接時間過長,可能會造成PIN二極管器件的老化損傷,給器件可靠性造成致命的危害。

本文主要針對PIN二極管焊接過程中出現(xiàn)的失效現(xiàn)象進行分析,為排除早期故障提供指導。

1焊接失效現(xiàn)象

金屬陶瓷封裝PIN二極管外形結(jié)構(gòu)如圖1所示,整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為金屬陶瓷管殼氣密封設(shè)計,非常適用于目前流行的表面貼裝工藝。兩端陰影部分為金屬材料焊接區(qū)域,中間白色部分為陶瓷材料密封區(qū)域。器件內(nèi)部采用金屬柱體對芯片兩面進行頂饋式焊接,以此形成雙散熱通道,可以很好地滿足大功率低熱阻使用需求。該器件典型尺寸長度A一般在2.9~3.6mm,長度B一般在2.6~3.3mm,厚度c一般在1.9~2.4mm。

金屬陶瓷PIN二極管的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)如圖2所示,內(nèi)部PN結(jié)封裝在中心位置,其中1區(qū)是在P型結(jié)和N型結(jié)之間添加一種未摻雜的高阻本征半導體材料形成,可實現(xiàn)高功率、高耐壓、低電容等優(yōu)異的性能。

1.1PIN二極管開短路失效事件

利用廠家提供的500只該型號PIN二極管進行上裝板卡驗證,經(jīng)常溫電應力測試,發(fā)現(xiàn)有9只出現(xiàn)開路現(xiàn)象,有1只出現(xiàn)短路現(xiàn)象,開路現(xiàn)象的測試條件如表1所示,短路現(xiàn)象的測試條件如表2所示。

由表1和表2可以看出,開路損壞二極管在正常工作電流下無正向電壓,短路損壞二極管在反向電壓下具有較大的反向電流。因此,常見的PIN二極管焊接失效一般有兩種情況:一種是短路,即P區(qū)和N區(qū)電勢相同,PN結(jié)連通:另一種是開路,即P區(qū)和I區(qū)完全隔開,I區(qū)呈現(xiàn)開路狀態(tài),即PN結(jié)斷開。

1.2焊接方法失效試驗

選取200只該型號PIN二極管分成4組,每組50只,A組采用低溫回流焊貼片,溫度最高280℃,最高溫度保持時間不超過5s:B組采用手動焊接,焊接溫度為280℃,停留時間不超過5s:C組采用低溫回流焊貼片,溫度最高360℃,最高溫度保持時間不超過5s:D組采用手動焊接,焊接溫度為360℃,停留時間不超過5s。對4組PIN二極管進行常溫電應力測試,測試結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果分析可知,焊接溫度過高容易造成PIN二極管失效,而回流焊比手動焊接能使PIN二極管失效率更低。

2焊接失效原因及分析

2.1焊接開路分析

對用戶反饋的焊接開路的PIN二極管和正常PIN二極管進行開帽試驗分析對比,如圖4所示,正常情況下,PN結(jié)金屬鉬柱表面應呈金黃色,焊接開路的情況下,為銀白色。此外,經(jīng)x射線分析,如圖5所示,發(fā)生焊接開路現(xiàn)象的PIN管鍍金鉬柱上出現(xiàn)外部焊料回流重熔現(xiàn)象,鉬柱表面出現(xiàn)銀白色的金屬焊渣,因此可以判斷是外部的金屬焊料在燒結(jié)過程中融化流淌,并進入了管殼內(nèi)部與鉬柱金屬等發(fā)生重熔,導致內(nèi)部引腳部分脫落。重熔現(xiàn)象主要是因為焊接溫度過高產(chǎn)生,且可能出現(xiàn)了多次焊接,造成了內(nèi)部焊錫重熔后部分脫落導致接觸不良,從而使PIN二極管整體產(chǎn)生開路現(xiàn)象。

2.2焊接短路分析

將焊接短路的PIN二極管同樣用x射線照射,如圖6所示,發(fā)現(xiàn)兩端鉬柱中間芯片位置出現(xiàn)導致短路的黑影,因此可判斷為管殼的金屬流向了鉬柱中間,產(chǎn)生了短路現(xiàn)象。發(fā)生該情況主要是由于在焊接時加錫過多,且溫度過高,使焊錫流向了內(nèi)部,破壞了二極管PN結(jié),焊錫連通了二極管正負極,產(chǎn)生了短路。

3解決與預防措施

根據(jù)上節(jié)的討論,金屬陶瓷封裝PIN二極管對于焊接要求較高,為此,總結(jié)焊接注意事項如下:

手工焊接要求:焊接材料是錫(錫6/4合金含銀),在焊接前,可先用吹風機快速烘干器件,焊接時使電烙鐵邊緣溫度控制在300℃以內(nèi),務必在3s內(nèi)完成焊接,特殊要求最長不超過5s。金屬陶瓷PIN二極管在手工焊接時一定不要破壞二極管的兩邊焊接點,焊點損傷會影響性能,造成開路或短路。

本器件一般建議使用回流焊,錫膏要求是融化溫度在190℃以內(nèi),含錫63%,含鉛37%,嚴格控制回流焊的焊接曲線,變溫速率不能太快,防止器件出現(xiàn)損傷。建議的回流焊曲線如圖7所示。

對于二次焊接,要特別注意:溫度要按照手工焊接的溫度,電烙鐵頭不能觸碰到PIN二極管的兩端金屬處,建議使用雙烙鐵頭快速焊接:焊接要戴防靜電腕帶或防靜電手套,避免靜電使結(jié)晶層損壞:焊接完成后注意清洗,使用無水乙醇擦拭、浸漬:時間在常溫下控制在3min以內(nèi)。

4結(jié)語

(1)金屬陶瓷封裝PIN二極管在工程應用中出現(xiàn)的失效現(xiàn)象本質(zhì)是PIN二極管內(nèi)部PIN結(jié)開路或短路:

(2)金屬陶瓷封裝PIN二極管失效的原因主要是焊接工藝缺陷,包括焊接溫度與焊接停留時間的控制:

(3)金屬陶瓷封裝PIN二極管焊接時推薦低溫回流焊,焊接過程更容易把控,能有效降低失效的概率。