一種典型功率運算放大器芯片粘接故障分析及改進

劉崗崗，蔡景洋，謝煒煒

（貴州振華風光半導體有限公司，貴州貴陽，550018）

1 概述

0041 型功率運放是通用丙類功率運算放大器，具有較大輸出電流，適用于馬達驅動電路。某批次0041 產品使用時，存在部分產品進行系統測試出現“輸入10V 信號，輸出電壓負滿偏為-14V，正常為-2.4V；輸入-10V 信號，輸出電壓2.4V，正端輸出正常”信息。對故障樣品進行分析可知開封后電測內部電路可知Q1上B-C串阻為268Ω，基極-發射極無串阻，目檢樣品鍵合良好。運放芯片及Q1～Q4 晶體管芯片玻璃鈍化層完整，金屬化良好，未見明顯過電損傷或機械損傷，仿真分析確認失效樣品失效由Q1 管集電極串阻引起。切片分析Q1 背金界面未見裂縫、空洞、腐蝕等異常形貌，銀漿銀顆粒分布不均勻。將編號分別為230#（故障樣品）和3449#（未裝機樣品）的兩樣品返廠測試和分析。

2 產品結構分析

■2.1 引腳功能簡介

0041 型功率運放產品采用T0-8-12 金屬圓殼封裝，各引腳功能如表1 所示。該款功率運算放大器最大輸出電流200mA，封裝形式與MSK0041 基本一致。電路具有輸出過載保護功能，采用補償電容消除寄生振蕩、確保電路穩定工作。

表1 產品引腳功能表

■2.2 產品內部結構

0041 型功率運算放大器采用厚膜混合制造工藝，基片上集成4 個厚膜電阻，通過金導帶實現內部互聯。厚膜基片采用Al2O3陶瓷，基片與管基采用真空合金焊燒結。內部5 個芯片（C8051 型、A8551 型晶體管各2 個，LM741運放1 個）。封裝時采用導電膠粘接在金導帶上，選用Φ25μm、Φ50μm 兩種規格金絲進行熱-超聲鍵合，其中Φ25μm 鍵合絲7 根、Φ50μm 鍵合絲19 根，顯微鏡觀測的產品內部結構如圖1 所示。

圖1 產品內部結構圖

3 樣品故障分析與定位

針對返廠故障樣品和未裝機樣品分別進行外觀檢查、電參數測試、密封性檢查、PIND 檢測等測試，采用X 射線照射等手段定位失效產品內部故障。

■3.1 樣品內部故障測試與分析

外觀檢查表明兩樣品引腳上錫完整，230#樣品引線被剪短，未發現外部金屬殼體開裂、變形、鼓起等異常，其玻璃絕緣子無開裂或缺損。依據Q/FA 20003B-2013 規范要求，采用STS8105A 型混合信號測試系統對樣品進行了常溫電參數測試，測試結果合格。

依據GJB548B 標準試驗條件對樣品A1、C1 進行密封性檢查，樣品密封性檢測合格。按GJB548B 2020.1 要求進行PIND 檢測，樣品檢測合格。經X 射線設備拍照，樣品基片及芯片表面及粘結表面空洞較小，空洞率符合相關規定，鍵合絲無斷裂、無塌絲，鍵合點無脫落情況，X 射線照射下兩樣品內部結構如圖2 所示。

圖2 X 射線下樣品內部結構圖

■3.2 故障定位

0041 產品最大輸出電流200mA，測試線路中采用的限流保護電阻Rsc 為3.3Ω，模擬產品實際工況搭建的測試電路如圖3 所示。VIP-P=20V、f=50Hz 正弦波信號下，對兩樣品進行測試并與合格產品對比分析可知，輸出波形無異常、產品線性區放大工作正常。

圖3 測試電路原理圖

保護晶體管導通電壓VBE為0.6～0.7 V，限流保護電阻Rsc=3.3Ω，輸出短路電流180mA ≤Ios≤212mA。當限流保護電阻≤3.3Ω 時，產品輸出短路電流Ios≥180mA，電路中保護管Q1、Q3 集電極串阻小于10Ω。產品工作時Q1、Q3 未能給輸出管Q2、Q4 提供偏置，不出現正、負滿偏。當產品輸出短路電流小于180mA、集電極串阻大于10Ω 時，此時保護管Q1、Q3 處于工作狀態，持續為輸出管Q2、Q4提供偏置，使其工作在放大狀態，輸出電壓隨著輸入信號變化。

綜上，當保護管Q1、Q3 集電極串阻小于10Ω 時，不能為輸出管Q2、Q4 提供偏置。若保護管Q1 集電極間串聯電阻變大，使Q2 基極電壓提高并持續給Q2 提供偏置，Q2仍處于放大狀態，使產品輸出處于負滿偏，導致故障產生。

4 失效原因排查

構建的失效分析故障樹如圖4 所示。為確定引起芯片粘接失效的最終故障源頭，對引起晶體管集電極串阻的銀漿顆粒分布不均勻、粘接面污染和導電膠退化等因素進行排查。

圖4 失效分析故障樹示意圖

0041 產品制造時采用導電膠將元器件粘接在厚膜基片上，高溫固化后經導電膠實現芯片背面集電極和金導帶連接。導電膠異常、回溫異常、粘接固化異常導致導電膠顆粒分布不均勻或粘接提前固化，造成集電極串阻增大。經檢測未見異常，可排除提前固化異常。

自動貼片可保證產品點膠量一致、平整度和導電膠分布均勻性，經復查所用導電膠入廠檢驗合格，該批導電膠也用于其他批次0041 產品，相關檢測未見異常。根據GJB 548B-2005 混合電路目檢和FA3.500.008 檢驗要求，對導電膠多少、芯片劃傷、有無短路等進行檢測，合格后再進入下道工序，經檢測未發現異常，可排除導電膠異常。從低溫儲存室內取出導電膠，按稱取規定劑量導電膠放入盛膠皿，取出后室溫回溫30～40 分鐘，經同一方向攪拌均勻后放入點膠管。經復查未見異常，可排除粘接前導電膠準備過程異常。

固化工藝對導電膠性能有顯著影響，固化不佳會導致膠點脫落或接觸電阻增大。導電膠固化采用自動控制。檢驗完成后將合格產品放入烘箱，啟動設定固化程序運行從常溫升溫至120℃±3℃恒溫1 小時；再升溫至170℃±3℃恒溫2 小時，后自然降溫至50℃以下取出產品。經復查，同批次產品未發現導電膠固化異常。

產品芯片通常減薄至200μm 后再進行背面金屬化，金屬化層一般為Ti-Ni-Ag 三層結構，導電層為芯片背面最外層，接觸界面如圖5 所示。若芯片背面金屬化存在氧化、基片焊盤表面污染或氧化、導電膠粘接污染會即粘接面污染會導致粘接導通電阻增大，經測試可排除粘接面污染異常。芯片粘接后在導電膠與金導帶間及背面金屬化層與導電膠間存在兩接觸面，粘接后產生的接觸電阻R=R金-膠+R膠-芯。固化后對接觸電阻R金-膠進行測試，R膠-芯則通過測量晶體管導通飽和壓降和輸出電流進行計算。

圖5 內部粘接示意圖

排查芯片背面氧化，背面氧化或沾污會在粘接時形成原子團阻擋層，造成導電膠與芯片背面相互滲透變差，引起Ag 顆粒分布不均，形成粘接夾層，進而使得接觸電阻增大，芯片粘接時集電極串阻增大。對230#樣品進行開帽操作，用探針和YB4812 型特性圖示儀對Q1、Q2 晶體管飽和壓降進行測試，飽和壓降分別為1.5V 和0.12V，接觸電阻分別為0.42Ω 和0.41Ω。在使用線路中限流保護電阻Rsc 為100Ω，保護功能啟動時輸出電流6.5mA。產品投料前由檢驗人員對0041 使用的芯片和外殼100%鏡檢。經復查，同批次產品A8551 晶體管、C8051 晶體管入廠檢驗合格。

產品固定檢驗員分別長期從事芯片材料和外殼材料，經復查當天安排外殼材料生產任務較少且芯片檢驗任務較重，臨時安排個別平時主要檢驗外殼的檢驗員參與產品芯片檢驗。檢驗過程中，檢驗員對芯片背面金屬層氧化程度把控不好、不適應芯片檢驗，后期停止了其檢驗操作。不排除檢驗員因檢驗經驗不足、對芯片背面金屬層氧化程度把控不準等人為疏忽導致的背金氧化芯片未剔除的情形。芯片背面金屬發生氧化或沾污，背面金屬化層與導電膠之間接觸電阻增大，導致集電極與金導帶間串聯電阻變大。為減小信號衰減，要求導體材料對氧化鋁基片有良好附著力、細線分辨率及線焊特性。測得連接導電膠與金導帶的接觸電阻分別為0.42Ω和0.41Ω，可排除基片導帶氧化異常。

通過上述排查與分析，可知造成該批次0041 產品輸出電壓負滿偏的原因是部分芯片的背面金屬化層存在氧化沾污，材料檢驗時因檢驗員經驗不足、人為疏忽而未能有效剔除不合格產品。造成出廠產品芯片粘接后存在夾層，在環境作用下發生一系列理化反應，原子團阻擋層電阻增大，造成保護Q1 三極管芯片粘接時造成集電極串阻，進而使得Q1不能實現保護功能，輸出管Q2 仍處于放大狀態，使產品輸出處于負滿偏。

5 結束語

經前述故障定位與排查、分析，針對0041 產品檢核過程存在的問題，擬采取改進措施如下：

（1）芯片裝結前對其背面金屬化進行氧化程度分析，若出現氧化，可在粘接前進行等離子清洗，可有效從源頭解決該問題；

（2）進一步完善、細化測試規范，產品測試時增加輸出短路電流Ios測試，當180mA ≤Ios≤210mA 時保證Q1、Q3 集電極串聯電阻小于10Ω，可有效剔除不合格產品。

綜上，造成0041 產品故障的原因是部分產品采用的C8051、A8551 芯片背面金屬化層存在氧化沾污，進行芯片檢驗操作時存在檢驗員人為疏忽未進行有效剔除，造成芯片粘接后存在夾層，在電場、溫濕度共同作用形成原子團阻擋層電阻變大，造成晶體管芯片粘接時造成集電極串阻偏大，失去了保護能力，造成輸出管持續處于放大狀態、導致產品輸出異常。通過采取上述措施，可有效解決和防止類似問題再次發生。