空调电路板使用稳压块失效分析与研究

摘要：本文主要论述了电路板弱电电源部分核心元件稳压块在生产、装配和使用过程中于设计、晶圆加工、封装、过程应力、过电损伤等环境下的损伤机理及防护措施。常见的稳压块为三端稳压块，作用是将电压进行降压处理，并将电压稳定在某一固定值后输出。

引言

　　稳压块常见的为三端稳压块，作用是将电压进行降压处理，并将电压稳定在某一固定值后输出。稳压块常用的有正压输出和负压输出两种类型，正压稳压块大多以78**命名，负压稳压块大多以79**命名。命名的后两位为其输出电压值，空调主板使用的稳压块基本为正压输出的78**系列稳压块。

　　稳压块是电路板电源部分核心器件，其性能和工作状态直接关系到主板是否可以正常工作。稳压块的主要性能是为主板提供稳定的电源，并根据主板工作情况提供合适的保护。如：过载保护、过热保护等。稳压块由于其关键的性能及重要的作用，导致如果稳压块失效，就会引起主板功能瘫痪。本文对稳压块的失效原因及防治措施进行了分析和探讨。

1 稳压块的晶圆制作问题

　　稳压块是一种运用成熟的半导体元件，但其晶圆加工过程会有较为隐蔽的问题出现。稳压块的晶圆加工和PCB板的加工很类似，需要曝光显影，但其精度非常高，微小到纳米级别。在这种加工精度下若出现极其微小的污染源或曝光强度偏差，就会造成晶圆失效。晶圆失效一般是测试可控的，之所以有晶圆失效而无法测试出来的情况，是因为封装前的晶圆测试会比封装后的性能测试复杂得多，其中最主要的原因是晶圆测试的测试点过多。为了保证测试效率，晶圆测试过程往往会选择性地测试一部分关键性能，忽略一些隐性性能，导致一些隐性问题流出。

1.1 故障举例

　　如图1、图2和图3所示。该故障是一个稳压块的批量问题，故障表现为稳压块常温下工作正常，在高温35℃以上表现为高温保护无输出，但35℃并未达到保护温度。经过多方面分析，最终锁定为稳压块温度保护电路中一个齐纳二极管参数异常导致该故障，使用聚焦离子束将齐纳二极管(如图1和图2所示)从晶圆上剪切下来，并使用微探针测试其特性，发现其导通电压达到了9V(如图3所示)，而正常品为6.8V，其参数已经远大于要求值，其保护电压也会受到影响。

　　对结构方面进行分析，将切割下的齐纳二极管与正常品对比，发现故障品齐纳二极管的氧化层与硅衬底之间的厚度偏大。正常品厚度为1.3nm(如图4a)，故障品则有26.4nm(如图4b)。

　　针对该问题，厂家在晶圆测试过程中未测试出的原因为：该二极管连接在电路中，需要采用5点测试法才能确定其性能，而5点测试耗时较多，厂家就采取了3点测试法，无法准确测试出其导通值，导致测试疏漏，进而将功能失常的产品流出，而厂家在封装后测试性能，没有高温测试环境，导致故障品没有检出，从而流出至市场。针对用户筛选此种故障，可以使用专用的通电老化箱，监控其工作状态，如果有不合格的可直接挑选出。

2 封装异常导致铜丝短路

　　在稳压块工作过程中，时常发生稳压块莫名奇妙短路的故障，此种故障除稳压块存在晶圆损伤外，还有一种情况就是稳压块绑定工艺中使用的铜线短路。

　　如图5(a)中所示，稳压块的铜线出现漂移现象，此种现象为灌注环氧树脂时，灌注速度过快，环氧树脂冲击铜线，导致绑定的铜线漂移，进而导致短路。此种短路并不是所有故障品都可以及时测试出来的，因为铜线周围有环氧固定，若短路的两根线距离足够接近，但未接触，就无法测试出。而在使用过程中受冷热冲击，短路点在冲击下接触，短路故障现象就会随时表现出来。

　　除此之外还有内部铜线污染如图5(b)所示，封装前稳压块在切筋工艺过程中产生的铜丝和铜屑封装到稳压块中导致短路。此种现象与金线紊乱的故障类似，故障存在具有随机性，需要生产过程中对于模具切割工具进行长期固定的保养，防止铜屑的产生。

　　稳压块封装前的人员操作也会引起倒丝问题，如图5(c)所示。在金线绑定完成后，未封装之前，人员的操作若存在不规范的现象，接触到绑定铜线，就会出现倒丝的现象，此点需要严格规范员工的操作手法。

　　稳压块引脚是由相连的铜基板切割而成，这种工艺会存在引脚间切割不彻底的问题，如图5(d)所示。如果存在切割刀口老化，就会导致切割不彻底，有铜屑残留，最后造成短路故障。

3 应力问题

　　稳压块元件往往需要配合散热器使用，配合的过程需要使用螺钉固定，这样就会导致稳压块散热面发生一定的形变，而这个过程会导致稳压块的晶圆与周围的环氧材料之间形成应力。环氧材料并不是一种优质的保护材料，环氧材料中间夹杂着起到加固作用的晶体颗粒，这些晶体颗粒有棱有角，会对晶圆表面的蚀刻元件产生直接损伤导致元件功能失效，如图6(a)和图6(b)。针对此种失效，直接的方法是在晶圆表面增加一层保护层，防止环氧晶体颗粒对晶圆产生损伤，但此种方案实施成本较高。在此种方法以外，也可从用户加工方面控制螺钉紧固的力矩，防止因力矩过大导致的失效。

4 电损伤

　　电损伤分两部分，第一部分为过电损伤，第二部分为静电损伤。过电损伤多出现在选型问题上，如较小功率或较小电压的稳压块，用于大功率电路或者大电压电路中，最终导致稳压块失效的故障。由于稳压块使用较为广泛，目前用法基本成熟，故此种损伤现在非常少见。其次就是静电损伤。静电损伤分为机械模式损伤和人体模式损伤两种。

4.1 其中机械模式对稳压块损伤更常见

　　稳压块加工过程中很容易使用到机械设备，这些机械设备往往是电动气动混合的。若存在电动部分，而接地又没有做好的话，很容易产生较高的感应电压，这种情况下机械加工稳压块很容易造成稳压块失效。实验结论表明，当感应电压超过300V时就会造成稳压块直接损伤。

4.2 人体模式对稳压块损伤较小

　　稳压块内部本身具有防止静电损伤的电路，目前模拟的方式主要是使用电容储能放电加模拟人体电阻的方式来模拟静电损伤，但人体模拟静电损伤，目前模拟一般超过8kV才会导致静电损伤，人体纺织物在冬季时可达万伏以上的静电，在春夏季则很难达到(此点和地域有直接关系)。在这种情况下，关于稳压块，静电防护还是必要的。

5 总结

　　稳压块失效机理和大多数半导体失效机理类似，稳压块同时具有功率器件的应力损伤、IC器件的绑定异常、晶圆加工异常、静电损伤异常等会直接或间接地导致其失效。稳压块具有电压稳定的功能，承担着电路电源供给的重任，其失效就会导致电路的瘫痪，故稳压块的失效分析相对而言具有较重要的意义。

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第5期第38页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。