二極管短路 失效深度分析

引言

在追求性能的元器件設計中，每一個微小的改動都可能牽一發而動全身。有時，為了實現某一性能指標的提升，看似合理的優化卻可能在不經意間埋下隱患。今天，我們將深入剖析一起發生在某電子產品上的二極管短路故障案例，這起案例不僅揭示了故障的根源，更引人深思：當供應商為了提升產品性能而主動進行設計變更時，我們該如何全面評估其對整個制造流程和最終產品可靠性的影響？

故障現象：突如其來的“罷工”

2023年5月，某消費電子供應商陸續接到客戶反饋，部分電子產品出現了無法正常啟動的異常情況。這些產品在出廠前經過了嚴格的質量檢測，但在實際使用中卻遭遇了“黑屏”困境。經過初步檢測，技術團隊發現，這些失效產品內部的關鍵保護元件——TVS（瞬態電壓抑制器）器件， 其兩端赫然呈現出短路狀態。正是這一元件的失效，導致了整個電路的異常，使得產品無法正常開機。

深入分析：剝繭抽絲，探尋失效原因

故障現象明確，接下來便是最關鍵的環節——深入分析，找出導致TVS器件短路的真正原因。我們從多個維度展開了詳盡的失效分析。

1. 失效品物理特性分析

我們對失效的TVS器件進行了分析，試圖從物理結構上尋找導致失效的線索：

外觀檢查：失效產品外觀正常，沒有明顯的機械損傷痕跡。

電性分析：產品常規電性測試結果顯示全部短路。

X-RAY透視：通過X-RAY無損檢測，我們發現器件內部的焊接結構正常，但在部分失效樣品中，可以觀察到明顯的燒毀點，這暗示了內部可能存在擊穿。

開蓋觀察：去除塑封和錫膏后，失效芯片的金屬區與氧化區交界處，發現明顯的燒毀痕跡，部分芯片甚至因燒毀而導致了物理破損。

切片和SEM檢查：對芯片進行切片和SEM檢查，發現氧化層和金屬焊盤交接位置存在裂紋。

初步判斷：綜合這些分析結果，我們初步推斷，芯片可能在某個環節受到了應力損傷， 導致其金屬區與氧化區交界處產生微裂紋，客戶使用中繼續惡化發生燒毀導致早期失效。

2. 故障流出根因分析

為了驗證“應力損傷”這一推斷，供應商收集數據進行數據分析以縮小排查方向，同時根據排查方向我們設計了一系列驗證實驗：

生產過程數據回溯：供應商詳細審查了相關批次產品的生產測試數據和記錄，結果排除了產品在生產過程中因漏測或性能不合格而流出的可能性。 但因采用動態PAT（Process Average Test）策略，因此漏電流測試前幾個樣品如存在漏電偏大但仍符合規格管控線時依舊會被歸為良品（其實是缺陷品/體質較弱的樣品）出貨。--發現可疑方向，需進行驗證

客戶端環境模擬測試：針對客戶端可能存在的過電壓或過浪涌環境，我們進行了高壓帶電驗證和浪涌模型測試。實驗結果顯示，在模擬的異常環境下，我們無法復現客戶現場的失效模式，這排除了客戶端使用環境異常導致器件損壞的可能性。 --未發現異常

產品可靠性驗證：供應商對庫存中的同型號產品隨機抽樣進行了嚴格的可靠性測試，包括浪涌沖擊、 回流焊模擬以及高溫反偏（HTRB）等。結果表明，產品本身的可靠性設計和制造是符合標準的，排除了普遍性的可靠性缺陷。對數據分析中發現的漏電偏大（臨界）的樣品進行可靠性試驗：這些漏電偏大的產品（盡管其漏電值仍在規格書允許范圍內，屬于“臨界”狀態）在進行長時間高溫反偏（HTRB）實驗時，竟然能夠成功復現客戶端的失效模式。這強烈暗示，這些看似“合格”的臨界產品，在特定應力條件下，更容易發生失效。

故障產生根因鎖定：TVS在FT測試時，因測試策略問題（＜0.9μA+動態PAT管控），導致有缺陷的樣品流出，在最終客戶正常使用條件下發生“早夭”失效。

3. 故障產生根因分析

產生根因鎖定：經過層層深入的分析和排除，我們將目光聚焦到了芯片設計與封裝工藝的結合點，最終鎖定了導致芯片應力損傷的“元兇”——供應商為提升二極管性能而主動增大的芯片凸臺尺寸，疊加批次間錫膏印刷量的波動，導致氧化層發生損傷。

凸臺尺寸增大，性能提升的“雙刃劍”：調查發現，供應商為了提升二極管的某些關鍵性能指標，主動對芯片的凸臺尺寸進行了增大。 然而，這一看似合理的性能優化，卻未充分評估其對后續封裝工藝的影響。過大的凸臺尺寸疊加錫膏印刷的異常（如錫膏量偏大），在后續的固晶封裝過程中，會顯著增加對芯片鈍化層（氧化層）的機械擠壓。這種額外的機械應力，是導致芯片內部產生輕微裂紋損傷的關鍵因素。

應力傳導與失效鏈，凸臺尺寸異常的連鎖反應:芯片鈍化層一旦出現微裂紋，便埋下了失效的隱患。當產品在客戶應用環境中工作時，即使是正常的電流通過，也會導致帶有微裂紋的芯片局部漏電增大，進而產生局部發熱。這種熱應力與電應力的疊加作用，會加速裂紋的擴展，最終導致器件氧化層與金屬交界處嚴重損傷，引發器件擊穿短路失效。

4. 解決方案

測試策略優化：將二極管的漏電測試標準管控線從0.9μA提升至0.1μA，并持續應用靜態PAT篩選（定期刷新），以精準地識別剔除潛在缺陷的樣品。

凸臺尺寸設計回退：將凸臺設計從1.3回退到1.0，并橫向展開其他系列規格的排查，要求凸臺設計需留有安全余量。