二極管玻璃封裝機械裂紋的產生原因和改良措施研究

張雨林 ,高 成

(1.西南交通大學 機械工程學院,四川 成都 611756;2.北京航空航天大學 可靠性與系統工程研究所,北京 100191)

玻封二極管作為一種基礎元器件,具有體積小、重量輕、結構簡單和廉價的優點,在現代電子設備中被大量應用。其典型結構為杜美絲與玻璃燒結的密封表貼結構,杜美絲表面的Cu2O 具有與封接玻璃非常接近的熱膨脹系數,且杜美絲表面Cu2O 在高溫下向玻璃中擴散可以實現結合強度很好的密封。但此類二極管的封裝結構也存在玻璃材質較脆的問題,屬于對機械應力敏感的元器件,一旦燒結工藝控制不當,就會在玻璃中引入較大的內應力,在應用中就容易出現封裝開裂的問題。而生產工藝控制不當導致的失效一般是批次性問題,這種往往會造成很大的經濟損失[1-4]。

本研究對某型電子設備生產中出現的一起失效案例進行分析,發現某2DK 型二極管在回流焊接后,部分二極管玻殼內部出現了軸向擴展的“花紋”或徑向貫穿的“裂紋”,通過對二極管燒結界面結構進行細致的分析和試驗驗證,確定了二極管裂紋產生的原因,并給出針對性的改進措施和檢驗方法,以規避該類問題的再次發生。

1 失效原因分析

1.1 玻封二極管結構

本文研究的二極管采用玻璃金屬封裝結構,芯片與電極采用AgCuSn 焊片焊接,引出端電極為沖壓成型的釘頭形杜美絲,玻殼采用低溫型高鉛玻璃。其中杜美絲主要結構是鐵鎳合金表面包覆銅層,銅表面為一層非常薄的Cu2O。圖1 所示為玻封二極管結構,通過杜美絲引出端表面Cu2O 與高鉛玻殼高溫燒結實現對內部芯片的密封。其中高鉛玻璃熱膨脹系數(CTE)約為9.1×10-6K-1,覆銅層的CTE 約為17.5×10-6K-1,混合質量分數15%～25%純銅的Cu2O 膜層CTE 為(6～12)×10-6K-1。杜美絲在軸向的整體CTE 為(8～10)×10-6K-1,與高鉛玻璃膨脹系數相當。在結合界面位置,杜美絲覆銅層表面的Cu2O 起到緩沖銅與玻璃局部熱失配的作用,在高溫燒結下,Cu2O 向玻璃內部擴散有利于提高其與玻璃的封接強度[5-6]。

圖1 玻封二極管結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of a glass-encapsulated diode

1.2 花紋及裂紋性質分析

將回流焊接后外觀異常的失效二極管解焊后進行檢查,玻殼外觀異常主要分為延伸至表面的“裂紋”和內部開裂的“花紋”兩種情況。如圖2(a)所示,二極管玻璃殼體表面存在開裂,由杜美絲貫穿至玻璃表面;如圖2(b)所示,二極管玻璃殼體內部存在沿軸向擴展的裂紋,玻璃殼體表面未見裂紋,內部呈現“花紋”形貌。

圖2 失效二極管兩種典型外觀形貌Fig.2 Two typical morphologies of failed glass-encapsulated diodes

為了觀察玻殼內部裂紋和花紋的狀態,選取玻殼內部既有裂紋又有花紋兩種狀態的二極管沿軸向進行制樣剖切,磨拋至二極管軸心位置,采用金相顯微鏡和掃描電鏡對二極管的玻璃與金屬封接界面結合部位進行觀察。圖3(a)為二極管鑲嵌到環氧樹脂中的實物形貌,圖3(b)為二極管被剖切后的實物形貌;圖3(c)為玻殼裂紋位置的金相形貌(100 倍),裂紋在玻璃體中形成貫穿,裂紋從Cu2O 表面延伸到玻殼表面,裂紋附近的Cu2O 層有較明顯的缺陷;圖3(d)為二極管玻殼花紋位置的金相形貌(500 倍),花紋處玻璃有不規則的橫向細碎裂紋,這些細碎裂紋并未擴展到玻璃體表面,細碎裂紋附近的Cu2O 層有相對較小的缺陷。

圖3 失效二極管的剖面形貌Fig.3 Cross-section morphology of the failed diode

從剖面觀察情況判斷,玻殼裂紋和花紋兩種狀態均屬于玻璃裂紋,只是裂紋的大小和走向不同。玻殼裂紋是從玻殼內側沿軸向擴展至玻殼表面的表現,玻璃碎裂程度較嚴重。玻殼花紋是玻璃內裂紋沿橫向擴展的表現,玻璃碎裂程度相對更小、更輕一些。

2 失效機理分析

采用掃描電鏡與能譜分析儀對二極管玻殼與杜美絲界面燒結結合位置進行檢查,玻殼無開裂二極管和玻殼開裂失效二極管的剖面SEM 形貌見圖4,相應位置能譜測試結果見表1。圖4(a)所示為玻殼無開裂的正常區域燒結界面形貌,玻殼與杜美絲燒結界面密封良好,Cu2O 膜層完整連續,界面清晰。相應位置能譜測試結果表明,距離Cu2O 上表面約3 μm 的玻璃內,Cu 元素質量分數為3.24%。圖4(b)為玻殼開裂失效二極管部分結構與成分存在異常的燒結界面的典型形貌,該二極管Cu2O 膜層與玻璃燒結界面分界不明顯,膜層內存在裂紋,且有玻璃相沿裂紋擴展至Cu2O 內。相應位置能譜測試結果表明,距離Cu2O 上表面約3 μm 的玻璃內,Cu 元素質量分數為6.79%。

圖4 Cu2O 膜層兩側燒結界面SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of sintered interface on both sides of Cu2O film

表1 Cu2O 膜層界面位置附近玻璃區域EDS 分析結果(質量分數%)Tab.1 EDS analysis results of the glass area near the interface of Cu2O film (mass fraction %)

對二極管燒結密封的正常區域和異常區域的界面位置附近玻璃進行能譜(EDS)分析,發現二極管燒結密封界面位置附近的玻璃區域主要含元素O、Si、Cu、Pb、K,其中Cu 元素為密封燒結時Cu2O 膜層內的Cu 元素向玻璃內擴散的結果,Cu 含量由Cu2O 膜層到玻璃側呈遞減趨勢。正常區域與裂紋區域距離Cu2O 界面3 μm,10 μm,20 μm 位置,玻璃內的Cu 元素含量相比差別很大,結果見表2。玻璃裂紋附近的Cu 元素含量均明顯高于正常區域,表明二極管密封燒結時,該位置的Cu 元素向玻璃內部擴散較多,導致二極管玻殼局部Cu 元素含量升高。

表2 不同樣品Cu2O 膜層附近區域EDS 分析結果(質量分數%)Tab.2 EDS analysis results of the glass area near the Cu2O film (mass fraction %)

圖5 為裂紋附近玻璃、Cu2O 和覆銅界面的局部放大形貌,該位置的Cu2O 膜層存在一些微裂紋,部分裂紋連通玻璃與覆銅層,在Cu2O 與覆銅層界面處存在襯度較低的侵入相。對Cu2O 膜層內裂縫區域和非裂縫區域進行能譜(EDS)對比分析,結果如表3 所示,Cu2O 膜層裂縫區域填充了襯度較暗的侵入相,主要包含元素O、Si、Cu、Pb、C,表明二極管密封燒結時玻璃填充進入Cu2O 膜縫隙,并到達了Cu2O 與覆銅層結合界面[7-9]。

圖5 異常燒結界面的局部放大SEM 形貌Fig.5 Zoom in SEM morphology of abnormal sintered interface

表3 Cu2O 膜與覆銅層界面處侵入相的EDS 分析結果(質量分數%)Tab.3 EDS analysis results of the invading phase at the interface between Cu2O film and copper clad layer (mass fraction %)

通過上述分析,認為玻璃裂紋產生的內在機理是由于Cu2O 存在裂縫缺陷,在燒結過程中高鉛玻璃軟化填充Cu2O 膜縫隙,玻璃相穿過Cu2O 裂縫直接與覆銅層接觸,導致更多的Cu 元素向玻璃內部擴散,表現為Cu2O 膜層上表面玻璃內局部Cu 元素含量偏高。上述過程導致高鉛玻璃與覆銅層直接接觸,且二者CTE 差別較大,改變了玻璃內部的應力分布,在Cu2O裂縫處形成應力集中點,導致該位置存在較大的內應力,局部較大的內應力是玻璃裂紋產生的內在原因。

3 工藝薄弱環節分析與試驗驗證

3.1 工藝薄弱環節分析

通過以上機理分析,確認杜美絲Cu2O 膜層缺陷是導致封裝玻璃裂紋的一個重要原因。對二極管生產情況進行調查,發現裂紋失效二極管所用的杜美絲,也用于另外其他幾個批次的二極管,但其他批次的二極管電裝后都沒有出現玻璃裂紋的情況,由此判斷導致二極管出現裂紋還有其他原因。

通過對其生產工藝進行分析,玻璃及Cu2O 的互溶發生在燒結過程中,因此重點對燒結工藝進行排查,該二極管燒結溫度在600 ℃左右,預熱降溫區溫度約為400 ℃,爐外冷卻區溫度不做控制,一般為60 ℃左右。該二極管所用玻殼的退火點為400～420 ℃,在玻殼軟化與杜美絲電極形成良好密封后,緩慢降溫至退火點溫度,使得軟化變形的玻璃內部微結構達到再平衡狀態,充分釋放內應力,消除可能存在的應力集中現象,保證二極管機械強度符合要求。由于2DK 型二極管器件燒結所用設備為手工操作,結合現行工藝記錄,分析認為預熱時間不足、恒溫時間不夠、恒溫超時以及降溫過快四種情況均可能會導致玻殼內應力無法充分釋放,這些較大的殘存應力可能導致玻璃封裝產生裂紋[10]。

3.2 試驗驗證與討論

根據以上機理分析,按杜美絲電極有無損傷兩大分組,設置了預熱時間減半、恒溫時間減少、恒溫時間增加和加快冷卻速度試驗條件,分8 個分組進行試驗驗證,用于定位二極管玻殼開裂的工藝原因。燒結后從每個分組樣品中各隨機抽取50 只進行回流焊接,回流焊接后,僅有第8 分組(杜美絲電極表面劃傷且快速降溫)的50 只樣品中有47 只玻殼出現了與失效件類似的裂紋,其他分組樣品均未出現問題。試驗條件及結果詳見表4。

表4 分組工藝試驗和驗證結果Tab.4 Classification process validation test conditions and vertification results

工藝驗證和回流試驗表明,生產過程中恒溫后冷卻降溫速率過快導致玻璃和Cu2O 界面處應力集中點的應力釋放不充分,形成殘余應力,該殘余應力在回流焊的高溫下迅速釋放,導致玻殼出現裂紋。

4 改進措施

為了避免類似問題的產生,可以針對以上兩個原因分別采取改進措施。首先,要完善零件到貨檢驗方法,二極管生產企業要對杜美絲表面的Cu2O 膜層的完整性進行評價,可以采取掃描電鏡檢查方式,抽取一定數量樣品檢查Cu2O 膜層的完整性,避免Cu2O 質量差的杜美絲電極流入生產環節。其次,通過完善封裝燒結工藝,優化工藝參數,確保降溫速率保持在一個合理區間,降低燒結應力。最后,在成品檢驗中,增加應用驗證試驗,每個生產批抽取15 只二極管,按照GJB 360B-2009 《電子及電氣元件試驗方法》 方法210 耐焊接熱試驗方法,采取溫度增加5 ℃和時間增加3～5 s 的加嚴條件,對產品批進行耐焊接強度評估,確認封裝批產品的玻璃封裝抗溫度劇變的能力,確保產品滿足使用要求。

5 結論

本文從一例二極管在電裝后玻殼產生裂紋的失效問題入手,通過對玻殼燒結界面結構與成分進行表征,結合燒結工藝過程驗證,深入分析了玻殼內裂紋產生的原因。通過分析發現杜美絲表面氧化層缺陷的危害以及燒結后冷卻速率過快的工藝問題,提出了工藝參數完善的措施,完善了零部件檢驗和成品檢驗的要求,對類似封裝工藝的產品生產和檢驗有很強的指導意義。