開關(guān)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(shè)備的使用越來越廣泛,功能也越來越強(qiáng)大,體積也越來越小,導(dǎo)致了對電源模塊要求在不斷增加。開關(guān)芯片在應(yīng)用中失效,經(jīng)分析為電路設(shè)計(jì)本身可靠性差,導(dǎo)致開關(guān)芯片失效。本文通過增加放電與限流貼片電阻,對電路設(shè)計(jì)優(yōu)化更改,使電路工作可靠性明顯提高,滿足電路設(shè)計(jì)需求,改善后應(yīng)用失效大幅度減低。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202208/437425.htm關(guān)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(shè)備對電源模塊的工作效率、體積以及安全要求等技術(shù)性能指標(biāo)要求越來越高,開關(guān)電源電路憑借良好的性能在電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)芯片作為開關(guān)電源電路的重要組成器件,決定了開關(guān)電源的質(zhì)量。開關(guān)芯片在各種設(shè)備電源模塊、以及家用電器均有使用。隨著開關(guān)電源電路的大量使用,售后失效控制原因中因開關(guān)芯片導(dǎo)致的失效也是逐年呈上升趨勢,每年因開關(guān)芯片失效導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,新能效實(shí)施對全球能效結(jié)構(gòu)趨勢的影響成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。從新實(shí)施的能效結(jié)構(gòu)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(dǎo),尤其是新 1 級能效,預(yù)計(jì)市場份額還將持續(xù)擴(kuò)大。變頻空調(diào)開關(guān)電源電路使用開關(guān)芯片在實(shí)際應(yīng)運(yùn)中出現(xiàn)多單失效,嚴(yán)重影響產(chǎn)品使用可靠性,此問題急需進(jìn)行分析研究解決。本文重點(diǎn)研究 PI 廠家開關(guān)芯片的可靠性及其失效機(jī)理,通過售后失效數(shù)據(jù)采集,對其進(jìn)行專項(xiàng)優(yōu)化整改。
1.2 開關(guān)芯片失效數(shù)據(jù)匯總
現(xiàn)在市場使用的主流開關(guān)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(gè)廠家開關(guān)芯片可靠性高、電路設(shè)計(jì)成熟、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn),在開關(guān)電源電路中得到大批量使用。開關(guān)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(jì) 2019 年開關(guān)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(dá) 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(guān)芯片失效尤其突出。
1.3 PI廠家開關(guān)芯片失效數(shù)據(jù)分析
統(tǒng)計(jì) PI 廠家開關(guān)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(cè)對地值小或短路。具體失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見下表 2。
1.4 開關(guān)電源的基本工作原理
1.4.1 開關(guān)電源描述
開關(guān)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(dǎo)體元器件作為軟啟動開關(guān),利用晶體管的占空比實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷,以便對輸出實(shí)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(guān)電源電路由 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,驅(qū)動器,信號源,比較放大器,負(fù)載等組成,圖 1 是它的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)框圖。開關(guān)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(guān)管,通過高頻可調(diào)占空比地開關(guān),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(guān)芯片簡述
PI廠家TOP264(編碼:360001000027)與TOP267(編碼:36008024)開關(guān)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(guān)芯片各管腳定義描述,見下表 3。
2 開關(guān)芯片的失效故障原因及失效機(jī)理分析
開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)是一個(gè)完整的閉環(huán)電路,單個(gè)器件失效要從整個(gè)電路分析。出現(xiàn)開關(guān)電源芯片失效有可能是芯片本身問題,或者電路設(shè)計(jì)存在問題以及出現(xiàn)磁飽和。開關(guān)電源磁飽和與開關(guān)電源電路中器件配合有直接關(guān)系,開關(guān)電源芯片、高頻變壓器、輸入電源、應(yīng)用環(huán)境、測試過程等都是影響開關(guān)電源可靠性關(guān)鍵問題。一般磁飽和會導(dǎo)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(jìn)行分析驗(yàn)證。
2.1 開關(guān)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(cè)失效,強(qiáng)電側(cè) 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(jié)構(gòu),見圖 4,對不良品進(jìn)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(jié)構(gòu)性異常。
2.1.3 開封解析
取其中 5 個(gè) 故障樣品進(jìn)行開封觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu),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(jié)果:對 PI 廠家失效芯片分析,確認(rèn)芯片無制造不良,為過電導(dǎo)致內(nèi)部晶片損傷。
2.2 應(yīng)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(jié)果:經(jīng)過對失效主板進(jìn)行整機(jī)分析驗(yàn)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(dǎo)致。實(shí)際開關(guān)電源漏極耐壓設(shè)計(jì)余量充足。整體測試開通瞬間漏極峰值電流小于設(shè)計(jì)值 60%。
2.3 ESD、EOS過電隱患排查
經(jīng)過對芯片弱電腳進(jìn)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(guān)芯片售后失效分體機(jī)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(fù)位,主板無失效,測試確認(rèn) ESD 放電回路設(shè)計(jì)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(guān)芯片,其中 TOP267VG 型號芯片主要使用在柜內(nèi)機(jī)以及商用 機(jī)主板上,TOP264VG 型號芯片主要使用在分體內(nèi)機(jī)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范,具體見圖 7。對比目前班組生產(chǎn)分體機(jī)主板(300002060781),開關(guān)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(hù)元件,電路設(shè)計(jì)上存在缺陷。柜機(jī)主板(300002060015)開關(guān)電源芯片第 3 腳有 C76 片狀電容 104 K/50 V 防護(hù)。
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(jìn)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(shè)計(jì)電路核查,見圖 8 所示,發(fā)現(xiàn)有三處點(diǎn)距離較短,有短路隱患,具體如下。
(1)ESD 放電回路最小間距點(diǎn)放電擊穿問題,次級供電電路與開關(guān)芯片信號反饋電路測試點(diǎn)距離很近。
(2)開關(guān)芯片 3 腳測試過孔與地之間存在最短距離點(diǎn)。
(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(guān)芯片弱電失效概率很高。
圖 9 所示測試植針點(diǎn)分布圖,經(jīng)查此 3 個(gè)位置范圍內(nèi)未植針,不存在短路隱患。FCT 測試工裝在開關(guān)電源電路上無定點(diǎn),不存在探針短路導(dǎo)致開關(guān)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(jìn)行驗(yàn)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(guān)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(jié)果:排查測試過程測試點(diǎn)分布未發(fā)現(xiàn)明顯測試點(diǎn)短路隱患,測試工裝對控制器測試無完后,反饋光耦兩端關(guān)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(jié)論:分析開關(guān)芯片失效為過電損傷失效,非開關(guān)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(dǎo)致電容放電損壞開關(guān)芯片弱電引腳,導(dǎo)致開關(guān)電源芯片內(nèi)部晶圓軟損傷。分析此次開關(guān)電源開關(guān)芯片失效為設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致,為應(yīng)用電路設(shè)計(jì)不合理,沒有對電解電容有效放電。
3 開關(guān)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(guān)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(yīng)是 C126)增加放電處理,見圖 12,驗(yàn)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(diǎn)損壞短路也會導(dǎo)致開關(guān)芯片失效,不能有效監(jiān)控,只能作為臨時(shí)措施。
3.2 增加放電20 kΩ電阻
開關(guān)芯片集中在弱電側(cè)控制端失效,弱電側(cè)失效多數(shù)跟主板線路設(shè)計(jì)走線及過程 ESD、過程測試放電管理存在很大關(guān)系,分體機(jī)中 PI 的開關(guān)芯片電路設(shè)計(jì)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(fù)載回路進(jìn)行消耗,如果過程管理不當(dāng)很容易出現(xiàn)操作、周轉(zhuǎn)等異常因素導(dǎo)致芯片過電損傷。根據(jù)相關(guān)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(jié)果顯示儲存電量 4 秒內(nèi)時(shí)間消耗完畢,放電效果顯著。
3.2.1 增加放電電阻驗(yàn)證
TOP264 開關(guān)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(shí)間約 4 秒。
3.2.2 去掉放電電阻驗(yàn)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(shí)間超過 5 分鐘,單個(gè)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(diǎn)主要集中于 3 腳對地短路問題,從設(shè)計(jì)基礎(chǔ)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(shí)際多次模擬驗(yàn)證過程測試完成后,測量開關(guān)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(dāng)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(guān)芯片 3 腳控制端,此電壓短時(shí)間內(nèi)有損傷 3 腳的隱患。研究發(fā)現(xiàn)在開關(guān)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(shí)間。通過模擬空載上電驗(yàn)證,電路優(yōu)化后放電時(shí)間減少到 3 秒,且當(dāng)外部有浪涌電壓時(shí)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(jié)及意義
本次售后出現(xiàn)開關(guān)芯片失效,經(jīng)多方面分析驗(yàn)證得出非芯片本身出現(xiàn)異常,屬于開關(guān)電源電路電路設(shè)計(jì)缺陷,在電路設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)未能有效考慮測試開關(guān)電源放電設(shè)計(jì),電路設(shè)計(jì)缺陷評估不充分導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)失效。整改通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì),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(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證確定可以有效解決問題,實(shí)際應(yīng)用效果顯著,開關(guān)芯片失效大幅度減少。
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(注:本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)
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