0 引言
隨著微型化的發(fā)展，微型功率整流器件的封裝越來越小，不斷減小的芯片與框架上焊接區(qū)的位置誤差越來越大。當(dāng)整流芯片為1.5 mm(60 mil)時(shí)，由于現(xiàn)在的裝、焊模具對于其定位精度已足夠高。幾乎不用考慮芯片與上下引線框架的非同軸誤差和上下引線間的間隙誤差。而當(dāng)芯片尺寸減小到0.75 mm(30 mil)時(shí)，這兩種誤差就不能忽視了。偏位的芯片和較大的裝配間隙會造成焊接不良、封裝應(yīng)力，影響使用中的可靠性�？梢酝ㄟ^提高裝焊模具的配合精度來提高芯片在裝焊過程中的定位精度，并以此來保證焊接質(zhì)量。對于偶然出現(xiàn)的焊接不良的器件，雖然用常規(guī)的驗(yàn)證電特性的測試方法不能將其淘汰掉，但可借助于測試Zth(瞬態(tài)熱阻)的方法將其篩選出來。瞬態(tài)熱阻的定義為，由脈沖耗散功率所引起結(jié)的溫升與該功率之比。當(dāng)固定脈沖功率條件并用測試熱敏電壓的方法來確定瞬態(tài)熱阻時(shí)，瞬態(tài)熱阻與熱敏電壓的增量成正比。因此，在同一條件下評價(jià)熱敏電壓的增量與評價(jià)瞬態(tài)熱阻是等價(jià)的。本文給出了一種新的測試方法，對器件進(jìn)行篩選時(shí)可大大提高其工作的可靠性。
1 器件在脈沖功耗下的熱響應(yīng)分析
一般情況下，在表面貼裝微型功率整流器件(SMD)的制程中均采用釬焊的方法將芯片與引線框架互連，最終形成圖1所示的結(jié)構(gòu)。對于整流二極管來說，對其施以脈沖電流即等效于施加了脈沖功率。當(dāng)對一個二極管施加一個階躍電流時(shí)，結(jié)溫不會瞬間就達(dá)到與階躍電流所造成的功耗相適應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，而需要經(jīng)過一個暫態(tài)過程。暫態(tài)過程的時(shí)間依賴于器件的熱時(shí)間常數(shù)。
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通常，芯片與引出線的四周被導(dǎo)熱率較低的塑封料包圍，因此絕大部分的熱量會通過引線傳導(dǎo)到環(huán)境。功率流或熱流的基本路徑為：熱源(pn結(jié))→芯片的n區(qū)和p區(qū)→上下層焊料→正負(fù)極引線→PCB→環(huán)境。器件的內(nèi)部和外部(器件與PCB)的焊接質(zhì)量都會對瞬態(tài)熱阻造成影響。當(dāng)測試器件的瞬態(tài)熱阻時(shí)，可只考慮內(nèi)焊接(芯片與框架的焊接)質(zhì)量的影響。這是因?yàn)樗矐B(tài)熱阻敏感于芯片與引線框架之間的焊接面積，由于某些原因(例如焊料空洞、芯片偏位)會造成焊接面積減小。未焊接的那部分面積將阻止芯片向框架傳熱。一般情況下，芯片的熱時(shí)間常數(shù)比引線的小得多。因此，可選擇合適的脈沖電流的強(qiáng)度和寬度對器件進(jìn)行瞬間加熱，加熱電流的脈沖寬度應(yīng)大于芯片的熱時(shí)間常數(shù)而小于引線的熱時(shí)間常數(shù)。在這樣的條件下，僅芯片和靠近pn結(jié)一側(cè)的焊接界面(芯片的p區(qū)臺面與框架的焊接面)被加熱。此界面的面積即對瞬態(tài)熱阻構(gòu)成了重大影響。焊接面積越小，瞬態(tài)熱阻越大，在施加一個固定幅度、寬度的脈沖電流后，結(jié)的溫升也就越高，與此相對應(yīng)的熱敏電壓的增量也越大�？梢詫崦綦妷涸隽俊鱒Fm設(shè)置一個上限，超過此上限時(shí)可認(rèn)為被測樣品是焊接面積過小或接近開路的不良品。
2 測試方案
2.1 基本測試條件的確定
確定測試方案就是確定一套最為合理的測試條件。本測試使用專用測試儀器TRR8000(紹興科盛電子有限公司研制)，該儀器可測試給定的額定電流IF條件下的正向電壓VF、給定測試電流Im條件下在加熱前后的熱敏電壓VFm1和VFm2、運(yùn)算并顯示與結(jié)的溫升相對應(yīng)的VFm的增量△VFm=VFm1-VFm2。還可以設(shè)定加熱電流的幅度IT與時(shí)間t、加熱后VFm2測試前的延遲時(shí)間tD(見圖2)。
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依據(jù)EIA／JESD51-1并考慮到被測產(chǎn)品典型的額定電流為IF=1 A，取其1％作為熱敏電壓測試電流即Im=10 mA；測試VFm2的延遲時(shí)間暫定為tD=400μs。
2.2 確定加熱條件IT的實(shí)驗(yàn)
對焊接不良的器件，通過調(diào)整IT的幅度和寬度可以確定區(qū)分度最高的△VFm的條件。為此準(zhǔn)備封裝外形為SMA、額定電流為1 A、焊接質(zhì)量不同的三組樣品各100支，它們是a組：焊接良好，焊接面積最大；b組：焊接合格但焊接面積較��；c組：焊接不良，該組實(shí)際上只是機(jī)械接觸而不是釬焊。三組樣品典型的局部剖面見圖3。在每個小圖中，兩邊的銅引線框架與中間的芯片焊接在一起，作者所關(guān)心的是每個圖中右邊的焊點(diǎn)的質(zhì)量。對這些樣品所有的常規(guī)電參數(shù)的測試都是合格的。
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將樣品按下列步驟標(biāo)示、測試、記錄：①統(tǒng)一編號，a組編號為1～100，b組為101～200，c組為201～300；②選擇加熱電流分別為：IT=5、10、15、20、25 A，加熱時(shí)間為t=50 ms；③分別按每個IT條件依編號順序測試并記錄△VFm(單位：mV)；④找出對應(yīng)于每個IT的一組△VFm的極值列于表1中；⑤將對應(yīng)于每個IT的三組△VFm數(shù)據(jù)合并后統(tǒng)一按升序排序。統(tǒng)計(jì)前100個數(shù)據(jù)中的每種樣品的數(shù)量百分比并列于表2中。
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理想情況下，對樣品施加相同的加熱條件時(shí)，△VFm在三組數(shù)據(jù)之間不應(yīng)有重疊，如果合并該三組數(shù)據(jù)并進(jìn)行升序排列，其自上而下的順序應(yīng)為a組、b組、c組，且組內(nèi)連續(xù)。但實(shí)際上下做不到這樣，因?yàn)楹附用娣e并不是△VFm唯一影響因素。
由表1可知，當(dāng)IT=5 A時(shí)，三組△VFm的分布范圍均有重疊，當(dāng)IT=10、15、20 A時(shí)只有a組與b組、b組與c組之間的數(shù)據(jù)有重疊。如果目的是將a組留下，b、c組淘汰，只需將排序中的第101個△VFm作為判據(jù)，一旦出現(xiàn)大于等于此值的數(shù)據(jù)就將其剔除，這樣就實(shí)現(xiàn)了篩選。而將其判為良品的前100個數(shù)據(jù)并不都屬于a組。由表2可知，選擇合理的IT可將c組完全剔出。但還會留下2％～3％的b組樣品或者說淘汰了2％～3％的a組樣品。這說明在△VFm分布的邊界會出現(xiàn)誤判。為保證產(chǎn)品質(zhì)量在確定實(shí)際篩選條件時(shí)可以更嚴(yán)格些。
由表2可知，當(dāng)IT=5 A時(shí)不能完全淘汰不良品，當(dāng)IT=25 A時(shí)，符合本例要求的良品只有47％，說明這樣的IT條件對不良品沒有篩選能力。
考慮一種接近實(shí)際情況的分布：篩選前b組樣品約占0.5％～1.5％，c組樣品約占0.1％～0.5％，利用與以上類似的條件(例如IT=10～20 A)篩選后可以完全淘汰c組樣品，而b組樣品的比例將不會超過450×10-6。雖然b組樣品的焊接面積比a組樣品的焊接面積小但它也是合格的，因此篩選后的樣品理論上不會出現(xiàn)焊接不良品。
2.3 確定實(shí)際測試方案的考慮
以上通過依據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接指定以及通過實(shí)驗(yàn)選定了測試條件，針對不同的產(chǎn)品，確定這些條件更復(fù)雜一些，需要考慮：①Im的選擇要合適，太小會使電流密度嚴(yán)重不均勻，太大會給結(jié)造成明顯加熱，二者都會影響測試準(zhǔn)確性。對于二極管一般可選擇額定電流的1／1 000～1／100，本例中選擇了Im=10 mA，與加熱電流相比，它所導(dǎo)致的結(jié)的溫升可忽略；②tD的選擇考慮：在加熱電流IT停止后，結(jié)溫將按指數(shù)規(guī)律衰降，相應(yīng)的△VFm亦應(yīng)如此。在圖4中應(yīng)表現(xiàn)為直線2，但在最初階段存在一個暫態(tài)過程，△VFm的實(shí)際變化為曲線1，直到B點(diǎn)二者才重合，此時(shí)暫態(tài)過程結(jié)束。顯然在暫態(tài)過程中熱敏電壓VFm已嚴(yán)重偏離了與結(jié)溫的線性關(guān)系。此過程中VFm已不能作為結(jié)溫的指示參量。選擇tD應(yīng)使其大于暫態(tài)過程的時(shí)間。在上述實(shí)驗(yàn)中選擇了tD=400μs，即選擇tD=400 μs時(shí)的△VFm作為tD=0 μs時(shí)的△VFm的近似，考慮到所尋找的是一個篩選條件而非計(jì)算一個精確的結(jié)溫，故這樣的近似是允許的，實(shí)際上不會影響篩選結(jié)果；③選擇加熱電流IT的考慮，IT的選擇應(yīng)使結(jié)溫在最高結(jié)溫的80％～100％為宜，利用文獻(xiàn)[1]附錄B的方法取環(huán)境溫度為25℃，以上各組實(shí)驗(yàn)平均結(jié)溫估算見表3。
由于tD的原因，實(shí)際結(jié)溫應(yīng)比表3中的估算值稍高，假定最高結(jié)溫為150℃，選擇IT=10 A較為合適。該條件在用于自動化的測試、打印、包裝過程中效果很好。
