表贴玻封二极管失效问题探讨

高伟娜 胡凤达 何宗鹏 马信娜



表贴玻封二极管失效问题探讨

高伟娜 胡凤达 何宗鹏 马信娜

（北京卫星制造厂有限公司，北京 100142）

针对表贴玻封二极管本体开裂导致产品失效的问题，探讨了表贴玻封二极管的封装结构构成情况、常见失效模式及导致原因、失效机理及装联应对措施、表贴玻封二极管的常见检验方法，为进一步提高表贴玻封二极管的装联可靠性提供有益的依据。

玻封二极管；失效机理；措施

1 引言

随着电子产品小型化、轻量化的发展趋势，表贴元器件以其体积小、重量轻、寄生参数小等优点越来越广泛地被应用。近年来由于产品小型化带来的表贴应力敏感元器件受应力损伤，导致产品失效的情况屡有发生。

针对应力敏感元器件表贴玻装二极管一些常见失效模式归纳总结，分析失效机理，并对其高可靠安装提出了应对措施，为表贴玻封二极管的高可靠装联提供有益的依据。

2 表贴玻封二极管及其常见失效模式及原因

2.1 表贴玻封二极管封装形式

表贴玻封二极管结构如图1[1]所示。器件引出端采用双插头结构，芯片与引出端采用高温冶金键合工艺进行可靠连接，通过玻璃壳体密封[2]。部分国产器件的芯片与引出端采用机械压力键合工艺，由于这种连接方式可靠性差，目前已被列为宇航限用元器件。

图1 表贴玻封二极管结构

表贴玻封二极管通过镀锡铅的引出端表贴焊接在印制板上，目前主要有两种封装形式，一种端电极引出端为圆形，其外形尺寸与玻璃本体的直径基本一致，如图2所示。

图2 圆形端电极表贴玻封二极管

另一种端电极引出端为方形，其外形尺寸大于玻璃本体的直径，安装在印制板上后能够对二极管本体有一定的抬高，如图3所示。

图3 方形端电极表贴玻封二极管

2.2 表贴玻封二极管常见失效模式及原因

常见玻封二极管失效模式为开路、短路和漏电流增大。

玻封二极管开路主要是玻璃封装开裂导致；导致玻封二极管开裂的主要原因为机械外力、热失配应力导致；玻封二极管短路主要是过流或反向电压过大等电应力导致，一般是由于电路设计缺陷导致的；玻封二极管漏电流增大主要是受到过电应力、芯片内部缺陷、芯片受力损伤等原因引起，一般是由于电路设计、元器件制造缺陷、元器件受力损伤导致。

3 表贴玻封二极管失效机理分析

3.1 机械外力

a. 生产过程中受到意外磕碰等外应力

由于表贴玻封二极管本体材料较脆，在受到意外磕碰时容易受力产生微裂纹，这些微裂纹在后续热应力、机械应力的作用下易扩展开裂将芯片撕裂失效。

b. 印制板变形导致的外应力

由于印制板设计、制作等原因，印制板内部容易存在内应力，此应力在印制板后续装联过程中会逐渐释放导致印制板翘曲变形。当表贴玻封二极管焊接在变形的印制板上时，在印制板组装件后续装配过程中会受到安装应力导致的印制板反变形应力，容易引起应力敏感元器件的应力损伤[3]。

产品在振动、冲击等力学环境试验时导致印制板变形，从而使表贴玻封二极管受到外应力。

3.2 热失配应力

a. 手工焊接热失配

由于玻璃本身是一种脆性材料，导热性差，韧性不足，在受到温度冲击后容易产生开裂。焊接时没有预热元器件、印制板或烙铁头直接碰触元器件端头，由于表贴玻封二极管本体及两侧有较大的引出端，且端电极比玻璃本体传热快，在元器件急剧受热的情况下，使元器件本体之间的温度梯度变大，急剧的热分布不同导致不同材料之间的膨胀差异显著增大，从而产生的应力使玻璃本体开裂。

表贴玻封二极管采用手工焊接时，一般PCB板不如表贴二极管加热的温度高[4]，当元器件焊接冷却过程中经过焊料的冷固相线时（Sn63Pb焊料183℃），二极管会受到拉应力而不是压应力，而二极管更容易受到拉力的损伤[5]。

b. 安装热失配

表贴玻封二极管焊接在印制板上时，由于器件和印制板的热膨胀系数不同，安装后的器件在工作过程中受到自身及周围环境温度变化的影响，在器件和印制板之间存在一定的内应力。玻璃的热膨胀系数一般为5～7ppm/℃，典型的FR-4层压板的热膨胀系数是14～17ppm/℃。当印制板组装件受热时，印制板和元器件受热膨胀，但是印制板的变形量大于元器件的变形量，元器件本体受到向外的拉力；当印制板组装件温度变低时，印制板和元器件均遇冷收缩，但是印制板的收缩量大于元器件的收缩量，元器件本体受到向内的拉力。在产品长期服役、经受多次温度循环后，容易引起焊点或脆弱元器件的失效。

c. 三防涂覆热失配

在印制板组装件上进行敷形涂覆有助于提高电子产品的耐环境性能，但是如果敷形涂覆所使用的材料在固化后硬度较大，尤其是敷形涂覆层较厚时，则产品在经历不同温度范围时由于各种材料之间的较大差异会产生较大的应力。电子产品敷形涂层中的涂覆材料与元器件之间的内应力主要由工作环境的高低温变化造成，其公式表达为：

由公式可以看出，要降低内应力，必须合理控制敷形涂覆材料的弹性模量值、热膨胀系数值。

为了消除应力，一般选择质地较软的涂覆材料。然而许多柔性涂覆材料在低温下也会变的非常坚硬。如果涂覆层过厚，涂覆材料会聚集、堆积在元器件本体下方。当涂覆材料的热膨胀系数与表贴玻封二极管本体的热膨胀系数差异较大时，当产品经受多个温度循环后可能导致元器件玻璃或玻璃密封的失效。而表贴玻封二极管与印制板之间的间隙较小，尤其是图2所示的圆形端电极表贴玻封二极管，当二极管本体与印制板之间被质地较硬的三防涂覆材料填满时，二极管受到热应力时器件本身释放应力的能力则变的更差。当温度降低时，覆形涂覆材料的收缩量大于二极管玻璃本体的收缩量，二极管本体承受向下、向内的拉力；当温度升高时，覆形涂覆材料膨胀量大于二极管玻璃本体的膨胀量，二极管本体承受向上、向外的推力。如果反复作用容易产生应力疲劳，导致二极管本体裂纹。

3.3 电应力

表贴玻封二极管电应力主要是正向电流烧毁或反压过高击穿，或由于静电敏感损伤。如果二极管正向电流过大则会引起二极管发热，过热造成功率超限而击穿，有可能引起短路或开路。当二极管外加反向电压超过某一数值时，二极管PN结会产生载流子的倍增，生成大量电子-空穴对，反向电流会突然增大，导致二极管电击穿。反向击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。对于高压肖特基二极管由于制作工艺不可避免的存在残留的SiO2导致元器件静电敏感容易受损。

4 表贴玻封二极管装联应对措施

4.1 印制板变形安装应对措施

为了避免印制板在后续使用过程中由于内应力而产生变形，在印制板设计时应合理进行层间布局及各层印制导线的布局。对于内部应力较大的印制板，应在装联过程采取措施进行应力释放。

在装配发生了翘曲变形的印制板组装件时，不应采用反变形安装，应在印制板与结构件之间加垫垫片后再安装。

印制板组装件的加固设计能够满足产品力学响应要求，玻封二极管不应布局在印制板力学响应较大的区域，不应布局在印制板容易变形的区域，如螺钉安装孔、印制板开孔附近。

4.2 表贴玻封二极管焊接

表贴玻封二极管的焊接可采用再流焊和手工焊的方法。玻璃封装最高能够经受350℃（低于玻璃化转化温度），但是不能经受突然的温度变化。如果迅速增加热量，有可能对玻璃或芯片产生应力或损伤。因此，在MELF玻封元器件焊接时应注意采取以下措施。

a. 手工焊接

表贴玻封二极管采用手工焊接时应采用预热的方法，将二极管和印制板同时采用热风预热。这样保证烙铁的温度可以控制在260℃左右并且应该尽快完成焊接。焊接时烙铁头不应碰触元器件焊端，一般采用细的、窄截面的烙铁头，这种烙铁头通常比粗的、大横截面的烙铁头具有较小的热容量，元器件本身收到热冲击的可能性会降低。

b. 再流焊接

表贴玻封二极管推荐优先采用再流焊接，再流焊时应合理控制焊接温度曲线的上升和下降速率，应使温度上升、下降过程相对缓和。但由于圆形端头引出端封装形式表贴玻封二极管在焊接过程中容易受到外力扰动，因此，其焊盘形状和尺寸必须进行控制以保证再流焊时焊料的表面张力不会使元器件产生立碑、偏移或位移[6]；再流焊的风压设置应调整到合理的范围，保证元器件不被吹飞。

4.3 表贴玻封二极管覆形涂覆

表贴玻封二极管覆形涂覆尽可能采用质地较软的涂覆材料，应考虑涂覆材料全工作周期内的硬度变化。为了减少对玻璃本体的应力，本体应尽可能不进行三防涂覆，只对焊端涂覆。如进行整体涂覆，应保证涂覆层尽量薄，不会在本体表面堆积，不会填充本体与印制板之间的间隙，如paralyne涂覆工艺；也可以在涂覆前对器件本体预处理，如先涂覆一层应力较小的硅胶，能够化解部分覆形涂覆材料对二极管本体的应力[7]。

5 表贴玻封二极管检验

由于表贴玻封二极管自身结构及材料特性，其容易在装联过程中产生缺陷，除了加强过程控制外，还应加强检验。通常玻封二极管可采用的检验方法有目检、染色、荧光和电测等方法，具体如下。

a. 目检法

一般检验采用30倍放大镜检验，当存在疑似裂纹时应采用更高倍数的显微镜。首先将放大镜位于表贴二极管本体正上方检查；然后再移动放大镜在二极管本体两侧45°方向检查。

b. 染色法

通过染色剂涂覆在元器件本体上，如果玻璃本体存在裂纹，染色剂会渗透到玻璃体内部，通过擦除表面的染色剂在显微镜下观察裂纹情况。

c. 荧光法

在元器件本体涂覆带有荧光的染色剂，玻璃本体存在裂纹，染色剂会渗透到玻璃体内部，通过擦除表面的荧光染色剂在专用的荧光显微镜下观察裂纹情况。

d. 电测法

二极管加反压会有漏电流产生的现象，通过漏电流参数变化确认器件是否存在损伤。

由于染色法、荧光法具有污染性，电测法在产品装联阶段的实施需进行相应的评估。综合以上检测方法，在产品装联阶段只有目检法具有可实施性，但由于玻封二极管玻璃本体具有透明、反光的特性，通过目检的方法具有一定的局限性，在裂纹扩展到一定宽度之前，裂纹的检验具有一定的难度，有存在漏检的风险，需要格外仔细并具有一定的经验。

6 结束语

由于表贴玻封二极管对热应力、机械应力敏感。为了保证二极管的高可靠装联，除了选择高质量等级的元器件，还应在印制板设计、元器件布局、产品装联各环节加强防护并加强过程检验，提高表贴玻封二极管装联可靠性。

1 李东华. 高可靠表面贴装玻封小电流肖特基二极管制造技术研究[D].山东：山东大学，2014

2 MIL-PRF-19500N MIL-semi-conductor devices, general specification[S]. 2005

3 齐林，杜爽，李佳宾，等. 大尺寸印制板组装件防变形技术研究[J]. 航天制造技术，2015(6)：29～33

4 张秋. 金属电极玻璃封装器件安装强度试验方法研究[J]. 标准化研究，2014(11)：51～53

5 Dibugnara R. Soldering Guidelines for Glass MELF Diodes, 2014, http://www.microsemi.com/micronotes/006.pdf

6 王修利，丁颖，严贵生，等. 汽相再流焊工艺技术研究[J]. 航天制造技术，2013(3)：38～40

7 吴红. 玻璃封装元件的开裂问题探讨[C]. 2012中国高端SMT学术会议论文集，2012：404～408

Discussion on Failure Problem of Glass Sealed Surface Mount Diodes

Gao Weina Hu Fengda He Zongpeng Ma Xinna

(Beijing Spacecrafts Co., Ltd., Beijing 100142)

In order to solve the problem of the cracking of the glass sealed surface mount diodes, this paper describes the package structure, the common failure modes and their causes, failure mechanism and the assembly measures, and also the inspection methods of the glass sealed surface mount diodes. It can provide a useful basis for further improving the assembly reliability of the glass sealed surface mount diodes .

glass sealed diode；failure mechanism；measures

高伟娜（1976），高级工程师，电机与电器专业；研究方向：星船电子产品装联工艺。

2018-01-24