某型金属陶瓷封装PIN二极管焊接失效与预防

时间：2023-02-22 22:53:38

关键字：金属陶瓷封装 PIN二极管焊接失效

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[导读]摘要:对某型金属陶瓷封装PIN二极管的焊接失效进行了分析,针对两种常见的失效现象,分析了可能的失效原因,提出了具体的预防措施,并进行了试验验证,为该器件批量化工业应用提供了一定的技术指导。

引言

金属陶瓷封装PIN二极管因具有尺寸小、结电容低、功率容量高、切换速率快等优点,在高速射频与微波开关电路中具有不可替代的作用。然而该型PIN二极管由于其特殊的工艺、材料、结构等特点,在器件应用时,特别容易出现一定的早期失效,若处置不当,会给批量生产带来不可预测的经济损失。如不正确的器件安装,可能会导致引脚断裂脱落,器件内的芯片、陶瓷电路片开裂等。此外,元器件的焊接工艺对器件使用的可靠性起着至关重要的作用。如果PIN二极管焊接质量不可控,如焊锡过少、焊点粗糙等,极易造成长时间使用时产生虚焊:而如果焊锡过多或焊接时间过长,可能会造成PIN二极管器件的老化损伤,给器件可靠性造成致命的危害。

本文主要针对PIN二极管焊接过程中出现的失效现象进行分析,为排除早期故障提供指导。

1焊接失效现象

金属陶瓷封装PIN二极管外形结构如图1所示,整体结构呈现为金属陶瓷管壳气密封设计,非常适用于目前流行的表面贴装工艺。两端阴影部分为金属材料焊接区域,中间白色部分为陶瓷材料密封区域。器件内部采用金属柱体对芯片两面进行顶馈式焊接,以此形成双散热通道,可以很好地满足大功率低热阻使用需求。该器件典型尺寸长度A一般在2.9~3.6mm,长度B一般在2.6~3.3mm,厚度c一般在1.9~2.4mm。

金属陶瓷PIN二极管的内部物理结构如图2所示,内部PN结封装在中心位置,其中1区是在P型结和N型结之间添加一种未掺杂的高阻本征半导体材料形成,可实现高功率、高耐压、低电容等优异的性能。

1.1PIN二极管开短路失效事件

利用厂家提供的500只该型号PIN二极管进行上装板卡验证,经常温电应力测试,发现有9只出现开路现象,有1只出现短路现象,开路现象的测试条件如表1所示,短路现象的测试条件如表2所示。

由表1和表2可以看出,开路损坏二极管在正常工作电流下无正向电压,短路损坏二极管在反向电压下具有较大的反向电流。因此,常见的PIN二极管焊接失效一般有两种情况:一种是短路,即P区和N区电势相同,PN结连通:另一种是开路,即P区和I区完全隔开,I区呈现开路状态,即PN结断开。

1.2焊接方法失效试验

选取200只该型号PIN二极管分成4组,每组50只,A组采用低温回流焊贴片,温度最高280℃,最高温度保持时间不超过5s:B组采用手动焊接,焊接温度为280℃,停留时间不超过5s:C组采用低温回流焊贴片,温度最高360℃,最高温度保持时间不超过5s:D组采用手动焊接,焊接温度为360℃,停留时间不超过5s。对4组PIN二极管进行常温电应力测试,测试结果如图3所示。

结果分析可知,焊接温度过高容易造成PIN二极管失效,而回流焊比手动焊接能使PIN二极管失效率更低。

2焊接失效原因及分析

2.1焊接开路分析

对用户反馈的焊接开路的PIN二极管和正常PIN二极管进行开帽试验分析对比,如图4所示,正常情况下,PN结金属钼柱表面应呈金黄色,焊接开路的情况下,为银白色。此外,经x射线分析,如图5所示,发生焊接开路现象的PIN管镀金钼柱上出现外部焊料回流重熔现象,钼柱表面出现银白色的金属焊渣,因此可以判断是外部的金属焊料在烧结过程中融化流淌,并进入了管壳内部与钼柱金属等发生重熔,导致内部引脚部分脱落。重熔现象主要是因为焊接温度过高产生,且可能出现了多次焊接,造成了内部焊锡重熔后部分脱落导致接触不良,从而使PIN二极管整体产生开路现象。