開關電源芯片的失效分析與可靠性研究

摘要：隨著科技的飛速發(fā)展，電器設備的使用越來越廣泛，功能也越來越強大，體積也越來越小，導致了對電源模塊要求在不斷增加。開關芯片在應用中失效，經(jīng)分析為電路設計本身可靠性差，導致開關芯片失效。本文通過增加放電與限流貼片電阻，對電路設計優(yōu)化更改，使電路工作可靠性明顯提高，滿足電路設計需求，改善后應用失效大幅度減低。

關鍵詞：弱電端短路；過電損傷；放電電阻；限流電阻；可靠性

0 引言

現(xiàn)代電子設備對電源模塊的工作效率、體積以及安全要求等技術性能指標要求越來越高，開關電源電路憑借良好的性能在電子設備中得到了廣泛的應用。開關芯片作為開關電源電路的重要組成器件，決定了開關電源的質(zhì)量。開關芯片在各種設備電源模塊、以及家用電器均有使用。隨著開關電源電路的大量使用，售后失效控制原因中因開關芯片導致的失效也是逐年呈上升趨勢，每年因開關芯片失效導致控制器失效的維修成本也在不斷上升。

1 背景

1.1 背景及意義

2020 年 7 月中國家用空調(diào)新能效標準發(fā)布，新能效實施對全球能效結構趨勢的影響成為大家關注的焦點。從新實施的能效結構來看，未來新 1 級和新 3 級能效空調(diào)產(chǎn)品將是市場主導，尤其是新 1 級能效，預計市場份額還將持續(xù)擴大。變頻空調(diào)開關電源電路使用開關芯片在實際應運中出現(xiàn)多單失效，嚴重影響產(chǎn)品使用可靠性，此問題急需進行分析研究解決。本文重點研究 PI 廠家開關芯片的可靠性及其失效機理，通過售后失效數(shù)據(jù)采集，對其進行專項優(yōu)化整改。

1.2 開關芯片失效數(shù)據(jù)匯總

現(xiàn)在市場使用的主流開關芯片廠家主要有美國的 PI 與 ON（安森美），以及日本的 SK。因其三個廠家開關芯片可靠性高、電路設計成熟、應用范圍廣等特點，在開關電源電路中得到大批量使用。開關芯片從 2014 年開始不斷大批量使用以來，售后失效數(shù)量也在成倍增長。統(tǒng)計 2019 年開關芯片售后失效數(shù)據(jù)，見下表 1，主要是 PI 廠家失效，占比總失效數(shù) 73.8%，故障率高達 262PPM。ON 與 SK 廠家失效占比較少，故障率相對較低，通過數(shù)據(jù)顯示 PI 廠家開關芯片失效尤其突出。

1.3 PI廠家開關芯片失效數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計 PI 廠家開關芯片售后失效數(shù)據(jù)，最近兩年出現(xiàn)失效增多，已經(jīng)有 300 多單，主要失效 3 腳及弱電側對地值小或短路。具體失效統(tǒng)計數(shù)據(jù)見下表 2。

1.4 開關電源的基本工作原理

1.4.1 開關電源描述

開關電源是電源模塊發(fā)展的根本，是電源發(fā)展的趨勢，選用功率半導體元器件作為軟啟動開關，利用晶體管的占空比實現(xiàn)電路的導通和關斷，以便對輸出實現(xiàn)在不同工作下的穩(wěn)定調(diào)整輸出。

1.4.2 基本工作原理

開關電源電路由 DC-DC 轉換器，驅(qū)動器，信號源，比較放大器，負載等組成，圖 1 是它的基礎結構框圖。開關電源不同于普通工頻變壓器電源，主要是通過在初級繞組回路中串入開關管，通過高頻可調(diào)占空比地開關，從而使加在初級繞組兩端的 HVDC 在電路中形成脈沖變化的電流，將能量通過磁芯傳至次級繞組，再通過半波整流和濾波，配合電壓、電流反饋，最終形成我們所需要的低壓直流電源。

1.5 PI廠家開關芯片簡述

PI廠家TOP264（編碼：360001000027）與TOP267（編碼：36008024）開關芯片引腳排布均相同，管腳功能描述相同，只是其功率不一樣。各引腳外觀圖如圖 2 所示。 PI 廠家 TOP264-271 系列開關芯片各管腳定義描述，見下表 3。

2 開關芯片的失效故障原因及失效機理分析

開關電源電路設計是一個完整的閉環(huán)電路，單個器件失效要從整個電路分析。出現(xiàn)開關電源芯片失效有可能是芯片本身問題，或者電路設計存在問題以及出現(xiàn)磁飽和。開關電源磁飽和與開關電源電路中器件配合有直接關系，開關電源芯片、高頻變壓器、輸入電源、應用環(huán)境、測試過程等都是影響開關電源可靠性關鍵問題。一般磁飽和會導致芯片漏極產(chǎn)生瞬間過壓沖擊從而擊穿 芯片，主要表現(xiàn)為芯片表面燒毀及炸裂，本次出現(xiàn)的失效模式與此有所不同，針對產(chǎn)生疑問進行分析驗證。

2.1 開關芯片單體分析

2.1.1 電參數(shù)測試分析

對失效主板檢測芯片 3 腳對地短路，3、4 腳短路，失效主板更換芯片測試正常，芯片集中在弱電側失效，強電側 MOSFET 沒有擊穿失效及受損現(xiàn)象。失效樣品引腳 I-V 特性曲線，見圖 3，測試第 3 腳對芯片源極短路，其余引腳特性無異常。

2.1.2 X光透射分析

觀察內(nèi)部結構，見圖 4，對不良品進行 X-RAY 透視顯示不良品焊線正常、弧度正常，通過觀察未發(fā)現(xiàn)結構性異常。

2.1.3 開封解析

取其中 5 個 故障樣品進行開封觀察內(nèi)部結構，見圖 5 所示，可以看到內(nèi)部晶片有大面積過電燒毀的痕跡，未見產(chǎn)品晶元制造不良。

分析結果：對 PI 廠家失效芯片分析，確認芯片無制造不良，為過電導致內(nèi)部晶片損傷。

2.2 應用電路磁飽和測試分析

過載測試漏極瞬間開通電流峰值，通電 50 次測試最大電流峰值 1.8 A。穩(wěn)定后平均電流值約 900 mA，通電 50 次測試平均電流值在 800 mA-1.2 A。測試波形如圖 6 所示。

分析結果：經(jīng)過對失效主板進行整機分析驗證及過載波形分析測試確定電源芯片失效非磁飽和問題導致。實際開關電源漏極耐壓設計余量充足。整體測試開通瞬間漏極峰值電流小于設計值 60%。

2.3 ESD、EOS過電隱患排查

經(jīng)過對芯片弱電腳進行 ESD 測試確定芯片 ESD 極限水平均超過 10 kV，綜合評估非芯片 ESD 等級低。PI 廠家開關芯片售后失效分體機主板集中在 3 腳失效問題做 ESD 測試，施加最高電壓 10 000 V，主板只出現(xiàn)芯片短暫復位，主板無失效，測試確認 ESD 放電回路設計合理，沒有出現(xiàn)在光耦附近有放電現(xiàn)象，放電是在 K1K2 繼電器位置。目前廠內(nèi)主要使用 36008024 TOP267VG 和 360001000027 TOP264VG2 款開關芯片，其中 TOP267VG 型號芯片主要使用在柜內(nèi)機以及商用 機主板上，TOP264VG 型號芯片主要使用在分體內(nèi)機主板上，從售后失效數(shù)據(jù)看這 2 款芯片均有失效，且集中在第 3 腳，其中 TOP264VG 型號芯片失效最為突出。

2.3.1 電路對比分析

2 款芯片在電路設計上均在芯片 4 腳頻率引腳 (F) 與 6 腳漏極引腳 (D) 之間開有避火槽，符合控制器設計規(guī)范，具體見圖 7。對比目前班組生產(chǎn)分體機主板（300002060781），開關電源芯片 TOP264VG 第 3 腳經(jīng)過 J2 跳線直接連接在 U101（P785）光耦 3 腳上，無防護元件，電路設計上存在缺陷。柜機主板（300002060015）開關電源芯片第 3 腳有 C76 片狀電容 104 K/50 V 防護。

2.3.2 測試過電排查

從生產(chǎn)過程排查情況看，其中 450 V/150 μF 電解電容在未使用放電板放電前殘留電壓較高在 3 V 左右，450 V/47 μF 電解電容殘留電壓較低，生產(chǎn)過程已均使用放電板放電后進行插裝。功能自動測試均自帶有放電電路，測試后電解電容殘留電壓低于芯片安全電壓 3 V。

對 PCB 板設計電路核查，見圖 8 所示，發(fā)現(xiàn)有三處點距離較短，有短路隱患，具體如下。

（1）ESD 放電回路最小間距點放電擊穿問題，次級供電電路與開關芯片信號反饋電路測試點距離很近。

（2）開關芯片 3 腳測試過孔與地之間存在最短距離點。

（3）光耦輸出級短路隱患，自插光耦需要注意測試不能出現(xiàn) 3.4 腳短路隱患，光耦輸出級短路開關芯片弱電失效概率很高。

圖 9 所示測試植針點分布圖，經(jīng)查此 3 個位置范圍內(nèi)未植針，不存在短路隱患。FCT 測試工裝在開關電源電路上無定點，不存在探針短路導致開關電源芯片失效隱患。

2.3.3 儲存電荷放電排查

使用示波器對 300002000905 主板 C126 電容進行驗證，在電容接上放電回路在 640 ms 內(nèi)電壓從 15 V 放到 0 V，見圖 10；不接放電回路，在 17 分鐘電壓還有 9 V 以上（開關芯片 36008024 控制接腳電壓范圍：-0.3 V— 9 V），見圖 11。

（1）電容兩腳接上放電回路，測試完成后在640 ms 內(nèi)電壓從 15 V 放到 0 V。

（2）電容兩腳不接自然放電，在 17 分鐘還沒有降到芯片的安全電壓 9 V 內(nèi)。

分析結果：排查測試過程測試點分布未發(fā)現(xiàn)明顯測試點短路隱患，測試工裝對控制器測試無完后，反饋光耦兩端關閉，在不接放電回路情況下 C126 反饋端電解電容放電很慢，17 分鐘都沒下降到 9 V，電容長期帶電存在很大隱患。

結論：分析開關芯片失效為過電損傷失效，非開關芯片本身異常?？刂破鳒y試完后反饋端電容不能有效放電，電容部放在流水線或是人接觸等因素會導致電容放電損壞開關芯片弱電引腳，導致開關電源芯片內(nèi)部晶圓軟損傷。分析此次開關電源開關芯片失效為設計缺陷導致，為應用電路設計不合理，沒有對電解電容有效放電。

3 開關芯片失效的解決方案

3.1 測試工裝增加放電工裝

電解電容增加放電工裝，對控制器開關芯片電源電路次級輸出供電光耦電路 47 μF 電容（300002000905 主板對應是 C126）增加放電處理，見圖 12，驗證放電效果顯著。此種放電影響測試效率，且放電工裝與放電部點損壞短路也會導致開關芯片失效，不能有效監(jiān)控，只能作為臨時措施。

3.2 增加放電20 kΩ電阻

開關芯片集中在弱電側控制端失效，弱電側失效多數(shù)跟主板線路設計走線及過程 ESD、過程測試放電管理存在很大關系，分體機中 PI 的開關芯片電路設計存在不足，在主板測試完，光耦輸出級處于開路狀態(tài)，電解電容儲存電量是沒有負載回路進行消耗，如果過程管理不當很容易出現(xiàn)操作、周轉等異常因素導致芯片過電損傷。根據(jù)相關電路分析，模擬在光耦供電電路 C502 電解電容（如圖 13）兩端并聯(lián) 20 kΩ 片狀電阻放電，以便能更好快速消耗電解電容儲存的電量，結果顯示儲存電量 4 秒內(nèi)時間消耗完畢，放電效果顯著。

3.2.1 增加放電電阻驗證

TOP264 開關芯片在光耦輸出端電解電容增加 20 kΩ 放電電阻，測試電容放電情況。加上 R23（20 K）放電時間約 4 秒。

3.2.2 去掉放電電阻驗證

去掉電路 R23 放電電阻，2 單故障板未增加 20 kΩ 放電電阻，測試光耦輸出端電解電容放電情況，放電時間超過 5 分鐘，單個控制器從測試到打包完成在 2 分鐘內(nèi)，主板一直生產(chǎn)過程后工序一直帶電。

3.3 增加100 Ω限流電阻

由于 2019 年 PI 廠家的 TOP264 電源芯片在售后故障率較高，針對失效點主要集中于 3 腳對地短路問題，從設計基礎增加了 20 kΩ 放電電阻，整改后失效大幅度降低，但還是有失效。實際多次模擬驗證過程測試完成后，測量開關芯片線路 C106 電容在 4 秒內(nèi)可以降低到 1 V 以下，見圖 16 所示，測試后放電未發(fā)現(xiàn)異常情況。

經(jīng)過對電路分析研究，發(fā)現(xiàn)放電只是一部分，當外部有比較大的浪涌電壓與出現(xiàn)瞬間短路放電，將直接到開關芯片 3 腳控制端，此電壓短時間內(nèi)有損傷 3 腳的隱患。研究發(fā)現(xiàn)在開關電源芯片 3 腳對地增加 100 Ω 限流電阻（R74），見圖 17 所示，可以有效起到限流作用，且可縮短放電時間。通過模擬空載上電驗證，電路優(yōu)化后放電時間減少到 3 秒，且當外部有浪涌電壓時此電阻可以有效泄放。

圖17 增加100 Ω電阻電路

4 失效整改總結及意義

本次售后出現(xiàn)開關芯片失效，經(jīng)多方面分析驗證得出非芯片本身出現(xiàn)異常，屬于開關電源電路電路設計缺陷，在電路設計開發(fā)時未能有效考慮測試開關電源放電設計，電路設計缺陷評估不充分導致實際應用出現(xiàn)失效。整改通過優(yōu)化電路設計，在電容端增加 20 kΩ 放電電阻，在 3 腳增加 100 Ω 放電電阻。整改后電路經(jīng)過實際試驗驗證確定可以有效解決問題，實際應用效果顯著，開關芯片失效大幅度減少。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)