车载转向灯模组三极管烧毁分析

邓腾飞，曲涵笑

（1.深圳市美信咨询有限公司，广东 深圳 518108；2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130113）

0 引言

引线键合技术作为传统的互连技术仍然是半导体封装的主力[1]。现在大约有75%～80%的封装类型仍然是引线键合。但引线键合有其众所周知的连接可靠性问题。键合线材料早期主要使用的是金线。出于降低成本的需要，键合线材料存在由金线向铜线转移的趋势，但铜线材质比金硬，需要更强的键合力，这可能导致焊接盘的损坏[2]。在比较保守的应用领域，金线键合仍然被使用。本文通过分立器件案例分析金线键合不良造成硅芯片焊盘损伤导致三极管烧毁。

某车载转向灯模组PCBA 在售后行驶里程9 km 后出现故障，在PCB 板上静态测量Q1三极管，其BE、BC 结压降异常。Q1由两个三极管组成，管脚分布如图1 所示。

图1 Q1 三极管管脚分布

1 试验过程与结果

1.1 外观检查

检查失效PCBA 上Q1三极管外观，未发现三极管出现封装体开裂、烧焦等外观异常现象，如图2 所示。

图2 失效Q1 三极管外观

1.2 X-ray 透视检查

在X-ray 下检查失效Q1三极管，发现其中一个三极管Q1A的发射极E1键合引线断裂，如图3所示。

图3 失效Q1 三极管X-ray 透视照片

1.3 开封观察分析

将失效Q1三极管用化学腐蚀方法打开树脂封装，露出里面的硅芯片。可见两个三极管的发射极焊盘都发生了烧毁，其中Q1A三极管的发射极焊盘熔融形成一个凹坑，键合线材料四溅飞射；Q1B三极管发射极烧毁轻微，键合线材料熔融后向旁边流散。失效Q1两个三极管的发射极呈现严重的过流烧毁形貌，但其基极键合未发现异常，如图4所示。

图4 失效Q1 三极管开封后的形貌

2 分析与讨论

2.1 电路分析

由开封结果知，失效Q1三极管呈现过流烧毁形貌。现对Q1所在电路进行分析，讨论其是否存在异常过流。模组上Q1周边电路原理图如图5 所示，在图5中，已知TURN_VCC 端电压为13.5 V。当LED 灯亮起时，Alarm 端电压低于0.25 V。当LED 灯熄灭时，Alarm 端电压高于6 V。

图5 模组上Q1 周边电路原理图

给TURN_VCC 端施加直流13.5 V，Alarm 端施加直流6 V，TP18 点电压高出TP20点电压0.42 V，高出TP21点电压0.55 V，Q1A，Q1B都处于放大状态；Alarm端流入电流为182 mA，即Q1A的集电极流入电流为182 mA，B1极流入电流约为0.64 mA，E1极流出电流约为183 mA；Q1B的C2极和E2极流入流出电流约为182 mA。

给TURN_VCC 端施加13.5 V电压，提高Alarm 端电压至8 V。此时TP22点电压为0.57 V，而TP21点电压降为0.08 V，说明Q2三极管已经开启，Q1B的B1极电压被拉低而使得Q1B截止。Q1A处于放大导通状态，C1极流入电流和E1流出电流约等于（3.61～0.57 V）/47 kΩ≈0.06 mA。这是因为Q1B截止 后，R4和R7组成的支路电阻达57 kΩ。由此可知，R4、R7和Q2支路起到了过压保护作用。

由以上分析可知，实际上电路中在LED 灯点亮和熄灭，Alarm 端电压不超过TURN_VCC电压情况下，不存在过流情形。

下面分析TURN_VCC 和Alarm 输入可能出现异常高压的情形。根据规格书，Q1A/Q1B的BVCBO大于60 V，BVCEO 大于40 V。

如果TURN_VCC 出现异常高压输入，由于R2与R3、R5与R6构成自给偏压电路，Q1B的基极TP21电压仍为零点几伏。Q1A的基极TP18比TP20高零点几伏，因为TP20的电压高于3.6 V 时会触发Q2开启，因此TP18电压不高于4.2 V。因此R2和R5将主要承受输入的过压，由于R2和R5的阻值分别为10 kΩ，足够承受较高的电压。因而，Q1A和Q1B也不会发生过流烧毁。

2.2 Q1 三极管物料检验

从电路分析可知，在电路中不存在引发Q1三极管过流烧毁的外部电学条件，结合失效三极管烧毁后形成熔融凹坑的形貌，推断Q1三极管发生烧毁的原因可能是三极管芯片本身存在缺陷。为了检验三极管物料的质量，取若干未使用的三极管进行破坏性分析。

在这若干三极管中，开封后发现有个别键合点超出了芯片上的预留键合区，进一步进行腐球试验发现键合产生了明显的弹坑或键合球印，说明三极管个别物料存在键合损伤，如图6 所示。

图6 未使用Q1 三极管开封后的金相形貌

弹坑是由于焊球在与芯片焊盘铝垫表面接触时，键合参数设置匹配不当，导致焊区硅层受到损伤造成的[3-4]。如果损伤比较轻微，则在腐球试验后在硅层上可见球印；当损伤比较严重时，芯片的硅层表面可以观察到明显的硅缺失痕迹。弹坑损伤往往会导致器件产品的电参数不良，如漏电流大或耐电压低，漏电流由于起初比较小，因而在出厂前并不能通过电性筛选完全剔除，但在后续整机通电使用中其会不断地劣化增大[5]。本案例中Q1三极管键合弹坑导致在电路正常电压下，发射极漏电流不断地增大，最终发生过流烧毁。

图7 未使用Q1 三极管弹坑试验

3 结束语

本文对车载转向灯模组上Q1三极管发生过流烧毁现象进行了分析，发现该产品失效的原因为：Q1三极管物料存在芯片键合弹坑损伤导致发射极耐压下降和漏电流增大，进而引发了过流。对此，建议针对键合产生弹坑损伤，通过调整键合功率和增厚芯片键合铝垫予以改善。