POWER開(kāi)關(guān)電源芯片應用靜電損傷失效可靠性研究與提升

作者 項永金 崔斌 王奎 陳明軒 戴銀燕 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230000)

　　項永金(1984年1月)，男，大專(zhuān)，質(zhì)量主管，主要從事電子元器件失效分析研究，芯片、半導體、功率器件失效分析研究及可靠性研究提升工作。

摘要：商用多聯(lián)機變頻空調用控制器在實(shí)際應用一段時(shí)間后出現主板失效問(wèn)題， 數據統計分析及實(shí)際主板復核分析是開(kāi)關(guān)電源電路中開(kāi)關(guān)芯片失效 ，芯片損傷點(diǎn)集中在弱電控制腳受損失效，問(wèn)題長(cháng)期存在沒(méi)有得到有效解決方案，本文從器件應用、開(kāi)關(guān)電源電路靜電放電設計、 PCB走線(xiàn)設計進(jìn)行全面驗證分析，最終確定是電路PCB走線(xiàn)設計存在缺陷，通過(guò)優(yōu)化電路PCB走線(xiàn)設計有效解決問(wèn)題。

0 引言

　　隨著(zhù)電子技術(shù)發(fā)展，集成芯片IC得到廣泛應用，開(kāi)關(guān)電源芯片經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)很高集成度，其中POWER集成式開(kāi)關(guān)芯片集成度高，低功耗，大容量設計、體積小、可靠性高在家電控制器開(kāi)關(guān)電源電路得到大量應用 。

　　開(kāi)關(guān)電源作為新型高效電源在家電控制系統承擔核心作用，一旦發(fā)生故障，將導致空調功能失效，嚴重時(shí)可能導致主板爆板，空調整機燒毀，造成嚴重的安全事故。因此研究開(kāi)關(guān)電源電路整體設計及工作可靠性 ，提高消費者對品牌的滿(mǎn)意度具有十分重要的意義。

1 事件背景

　　商用變頻空調控制系統用控制器在實(shí)際應用一段時(shí)間后出現主板失效問(wèn)題，經(jīng)過(guò)大量數據統計分析及實(shí)際主板失效分析確定是開(kāi)關(guān)電源電路中的開(kāi)關(guān)芯片失效導致，經(jīng)過(guò)統計空調實(shí)際應用維修數據，因開(kāi)關(guān)芯片過(guò)電失效導致售后投訴單數達近百單，占整個(gè)控制器售后故障率2.9%,控制器售后大比例失效嚴重影響空調整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶(hù)實(shí)際體驗效果。問(wèn)題急需進(jìn)行分析研究解決。

2 芯片失效原因及失效機理分析

　　2.1 主板電源芯片失效外貌

　　電源芯片應用主板處有32款，統計應用失效數據顯示售后POWER開(kāi)關(guān)電源芯片失效主要集中兩款主板，主板30226000004 、30226000045，30226000004失效集中在弱電側3腳，強電側沒(méi)有出現明顯失效，MOS管耐壓測試正常，器件本體沒(méi)有可見(jiàn)的過(guò)電損傷現象，主板30226000045失效3單表面均可以看到芯片表面有明顯的過(guò)電燒毀現象，同步燒毀還有R C電路對應的玻璃釉膜電阻及貼片電阻。分析是漏極過(guò)電沖擊失效。

　　2.2 失效芯片阻值特性檢測分析

　　售后復核出現大量的開(kāi)關(guān)電源不工作，經(jīng)過(guò)分析檢測是開(kāi)關(guān)電源芯片失效，選取售后退回11單失效主板進(jìn)行芯片失效檢測分析，通過(guò)對器件失效點(diǎn)進(jìn)行檢測分析匯總發(fā)現芯片失效集中3腳短路失效突出。主板30226000004等靜音風(fēng)管機主板開(kāi)關(guān)芯片集中在3腳短路失效突出(檢測數據如下表1)，而30226000045等22匹多聯(lián)機主板失效多表現為本體有明顯過(guò)電擊穿點(diǎn)，檢測對應漏極受損或是短路。失效模式有所不同。

　　科匯開(kāi)關(guān)芯片應用不同主板信息及核心參數對比分析

　　主板電源芯片應用電路關(guān)鍵參數對比如表2。

　　2.3 磁飽和分析

　　開(kāi)關(guān)電源設計考慮是整個(gè)系統設計，非單個(gè)器件。出現開(kāi)關(guān)電源芯片失效是否是電路設計存在問(wèn)題，是否是出現磁飽和。開(kāi)關(guān)電源磁飽和與電路中相關(guān)器件配合等有直接關(guān)系，開(kāi)關(guān)電源芯片、高頻變壓器、輸入電源、應用環(huán)境等都是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性關(guān)鍵問(wèn)題。開(kāi)關(guān)芯片失效是否與磁飽和有關(guān)，一般磁飽和會(huì )導致芯片漏極產(chǎn)生瞬間過(guò)壓沖擊從而擊穿芯片，主要表現為芯片表面燒毀及炸裂，本次出現的失效模式與此有所不同，針對產(chǎn)生疑問(wèn)進(jìn)行分析驗證。

　　2.3.1 30226000004主板漏極波形測試(磁飽和測試分析)

　　30226000004主板過(guò)載測試漏極瞬間開(kāi)通電流峰值，通電50次測試最大電流峰值1.8 A。穩定后平均電流值約900mA，通電50次測試平均電流值在800-1.2 A。測試波形如下圖2。

　　分析結果：經(jīng)過(guò)對失效主板進(jìn)行整機分析驗證及過(guò)載波形分析測試確定電源芯片失效非磁飽和問(wèn)題導致。實(shí)際開(kāi)關(guān)電源漏極耐壓設計余量充足。整體測試開(kāi)通瞬間漏極峰值電流小于設計值60%。

　　2.3.2 芯片ESD測試分析

　　POWER電源芯片應用主板總32款，弱電側失效集中在商用靜音風(fēng)管多聯(lián)機主板，經(jīng)過(guò)對芯片弱電腳進(jìn)行ESD測試確定芯片ESD極限水平均超過(guò)10kV ，綜合評估非芯片ESD等級低，開(kāi)關(guān)電源設計針對次級輸出靜電或是過(guò)電設計有專(zhuān)用的放電通道，并對電路設計做規范要求。是否是電路設計走線(xiàn)問(wèn)題，針對問(wèn)題展開(kāi)分析驗證。

　　經(jīng)過(guò)對芯片進(jìn)行開(kāi)封解析，芯片晶圓表面實(shí)際沒(méi)有明顯過(guò)電燒毀點(diǎn)，部分有微小的失效點(diǎn)，類(lèi)似ESD瞬間沖擊失效，企標要求主板整機靜電放電承受水平達到1kV，是否是主板PCB走線(xiàn)設計存在問(wèn)題產(chǎn)生瞬間放電導致，安排對主板進(jìn)行整機靜電測試模擬驗證，在測試模擬過(guò)程中，當施加電壓達到12kV，15kV主板某位置出現瞬間閃光放電現象(放電圖片如圖3)，出現概率很低，查看閃光點(diǎn)在開(kāi)關(guān)電源反饋電路位置。通過(guò)主板整機靜電方案實(shí)驗驗證初步分析該板存在layout設計問(wèn)題。

　　2.3.3 開(kāi)關(guān)電源整機靜電設計放電通道分析

　　主板進(jìn)行ESD測線(xiàn)出現瞬間放電現象，測試結果不符合主板整機ESD設計要求標準，針對開(kāi)關(guān)電源整體ESD設計有專(zhuān)門(mén)放電通道，一般家電類(lèi)開(kāi)關(guān)電源次級輸出放電通道主要是有兩種路徑，初次級直接通過(guò)放電齒設計也可以是Y電容進(jìn)行跨接初次級進(jìn)行放電，高頻變壓器初次級耦合路徑放電，一般家用電器使用開(kāi)關(guān)電源對于整機靜電放電設計主要從兩個(gè)方面。具體放電設計走線(xiàn)如下。

　　靜電放電路徑1：在后級電路引入靜電等高能量的沖擊，電荷釋放路徑1 是通過(guò)跨接初次級之間安規電容，將電荷直接通過(guò)初級電解電容釋放。放電路徑及設計走線(xiàn)如下圖4。

　　靜電放電路徑2：在后級電路引入靜電等高能量的沖擊，電荷釋放路徑2 是通過(guò)高頻變壓器初次級耦合路徑傳輸。放電路徑及設計走線(xiàn)如下圖5。

　　2.3.4 主板整機ESD測試出現放電現象及回路分析

　　按企標主板整機ESD測試方案對主板進(jìn)行ESD測試并對數據進(jìn)行統計發(fā)現在主板ESD測試靜電水平達到15000 V，會(huì )出現一定概率的放電現象，放電點(diǎn)經(jīng)過(guò)確認是開(kāi)關(guān)電源次級輸出給開(kāi)關(guān)芯片供電電路片狀電阻R100對反饋電路片狀電容C79進(jìn)行瞬間放電，如下圖6所示。

　　通過(guò)查閱開(kāi)關(guān)電源設計資料，針對開(kāi)關(guān)電源靜電放電設計主要從兩個(gè)方面解決電荷釋放。失效主板靜電設計路徑1使用是Y電容跨接初次級接初級電解電容。失效主板設計及走線(xiàn)符合設計無(wú)異常。放電路徑2走線(xiàn)設計進(jìn)行分析確定失效主板走線(xiàn)設計如下，模擬出現瞬間放電 絲印位置是片狀電阻R100對片狀電容C79進(jìn)行瞬間放電，片狀電容C79正是連接到開(kāi)關(guān)芯片3腳信號反饋口，經(jīng)過(guò)對比其他開(kāi)關(guān)電源PCB設計走線(xiàn)及PCB設計規范發(fā)現R100對C79走線(xiàn)設計存在問(wèn)題，走線(xiàn)間隙過(guò)小，一旦次級引入能量達到一定等級擊穿空氣直接對片狀電容C79(即電源芯片3腳)進(jìn)行放電，芯片口因為靜電損傷導致無(wú)法正常工作，失效 是該位置電路靜電瞬間放電導致。經(jīng)過(guò)模擬整機ESD測試記錄大量數據出現一單芯片受損現象，與售后失效模式相同。

　　設計缺陷點(diǎn)1：查看開(kāi)關(guān)電源PCB設計走線(xiàn)及PCB設計規范發(fā)現R100對C79走線(xiàn)設計存在問(wèn)題，走線(xiàn)間隙過(guò)小。存在瞬間擊穿空氣放電隱患。放電點(diǎn)如下圖7標示位置。實(shí)際驗證確定該問(wèn)題存在，會(huì )出現芯片擊穿失效。

　　設計缺陷點(diǎn)2：次級繞組耦合回路地是連接到電源芯片地再接到初級電解電容地，存在損傷芯片隱患。最好靜電釋放通道是次級耦合回路直接連接初級輸入電解電容地，而非通過(guò)電源芯片地后再到初級輸入電解電容地。即最好設計是如下9紅色虛線(xiàn)走線(xiàn)設計。

　　2.3.5 分析總結

　　商用靜音多聯(lián)機主板在售后出現大比例失效分析是開(kāi)關(guān)電源芯片失效導致，經(jīng)過(guò)對芯片失效分析及電路設計走線(xiàn)等分析確定失效主板PCB走線(xiàn)設計存在缺陷，在生產(chǎn)過(guò)程中存在開(kāi)關(guān)電源輸出端引入靜電是會(huì )通過(guò)高頻變壓器靜電傳輸耦合路徑2進(jìn)行放電，PCB走線(xiàn)設計存在缺陷 R100對C79走線(xiàn)設計間隙過(guò)小，一旦次級引入能量達到一定等級擊穿空氣直接對電源芯片3腳進(jìn)行放電，芯片口因為靜電損傷導致無(wú)法正常工作。通過(guò)優(yōu)化電路走線(xiàn)設計徹底有效隔離次級回路與反饋電路之間的電氣間隙，有效解決問(wèn)題。

3 開(kāi)關(guān)芯片失效整改措施

　　3.1 開(kāi)關(guān)芯片失效解決方案

4 整改效果評估及應用效果驗證

　　通過(guò)對優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源電路PCB走線(xiàn)設計后主板進(jìn)行整機ESD測試，目前主板ESD水平在18kV，部分達到20kV，沒(méi)有再出現放電現象，評估整改方案有效。

5 開(kāi)關(guān)芯片失效整改總結及意義

　　本次售后大批出現開(kāi)關(guān)芯片失效屬于開(kāi)關(guān)電源電路PCB走線(xiàn)設計缺陷，在電路設計開(kāi)發(fā)時(shí)未能有效解決開(kāi)關(guān)電源靜電放電設計，走線(xiàn)設計存在缺陷評估不充分導致實(shí)際應用出現失效，通過(guò)優(yōu)化電路走線(xiàn)設計并經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗驗證確定可以有效解決問(wèn)題。

　　參考文獻：

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第68頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。