POWER開關(guān)電源芯片應(yīng)用靜電損傷失效可靠性研究與提升

作者 項(xiàng)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(xiàng)永金(1984年1月)，男，大專，質(zhì)量主管，主要從事電子元器件失效分析研究，芯片、半導(dǎo)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(jī)變頻空調(diào)用控制器在實(shí)際應(yīng)用一段時(shí)間后出現(xiàn)主板失效問題， 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及實(shí)際主板復(fù)核分析是開關(guān)電源電路中開關(guān)芯片失效 ，芯片損傷點(diǎn)集中在弱電控制腳受損失效，問題長期存在沒有得到有效解決方案，本文從器件應(yīng)用、開關(guān)電源電路靜電放電設(shè)計(jì)、 PCB走線設(shè)計(jì)進(jìn)行全面驗(yàn)證分析，最終確定是電路PCB走線設(shè)計(jì)存在缺陷，通過優(yōu)化電路PCB走線設(shè)計(jì)有效解決問題。

0 引言

　　隨著電子技術(shù)發(fā)展，集成芯片IC得到廣泛應(yīng)用，開關(guān)電源芯片經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)很高集成度，其中POWER集成式開關(guān)芯片集成度高，低功耗，大容量設(shè)計(jì)、體積小、可靠性高在家電控制器開關(guān)電源電路得到大量應(yīng)用 。

　　開關(guān)電源作為新型高效電源在家電控制系統(tǒng)承擔(dān)核心作用，一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致空調(diào)功能失效，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致主板爆板，空調(diào)整機(jī)燒毀，造成嚴(yán)重的安全事故。因此研究開關(guān)電源電路整體設(shè)計(jì)及工作可靠性 ，提高消費(fèi)者對(duì)品牌的滿意度具有十分重要的意義。

1 事件背景

　　商用變頻空調(diào)控制系統(tǒng)用控制器在實(shí)際應(yīng)用一段時(shí)間后出現(xiàn)主板失效問題，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及實(shí)際主板失效分析確定是開關(guān)電源電路中的開關(guān)芯片失效導(dǎo)致，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)空調(diào)實(shí)際應(yīng)用維修數(shù)據(jù)，因開關(guān)芯片過電失效導(dǎo)致售后投訴單數(shù)達(dá)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(yán)重影響空調(diào)整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實(shí)際體驗(yàn)效果。問題急需進(jìn)行分析研究解決。

2 芯片失效原因及失效機(jī)理分析

　　2.1 主板電源芯片失效外貌

　　電源芯片應(yīng)用主板處有32款，統(tǒng)計(jì)應(yīng)用失效數(shù)據(jù)顯示售后POWER開關(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(cè)3腳，強(qiáng)電側(cè)沒有出現(xiàn)明顯失效，MOS管耐壓測(cè)試正常，器件本體沒有可見的過電損傷現(xiàn)象，主板30226000045失效3單表面均可以看到芯片表面有明顯的過電燒毀現(xiàn)象，同步燒毀還有R C電路對(duì)應(yīng)的玻璃釉膜電阻及貼片電阻。分析是漏極過電沖擊失效。

　　2.2 失效芯片阻值特性檢測(cè)分析

　　售后復(fù)核出現(xiàn)大量的開關(guān)電源不工作，經(jīng)過分析檢測(cè)是開關(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(cè)分析，通過對(duì)器件失效點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)分析匯總發(fā)現(xiàn)芯片失效集中3腳短路失效突出。主板30226000004等靜音風(fēng)管機(jī)主板開關(guān)芯片集中在3腳短路失效突出(檢測(cè)數(shù)據(jù)如下表1)，而30226000045等22匹多聯(lián)機(jī)主板失效多表現(xiàn)為本體有明顯過電擊穿點(diǎn)，檢測(cè)對(duì)應(yīng)漏極受損或是短路。失效模式有所不同。

　　科匯開關(guān)芯片應(yīng)用不同主板信息及核心參數(shù)對(duì)比分析

　　主板電源芯片應(yīng)用電路關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比如表2。

　　2.3 磁飽和分析

　　開關(guān)電源設(shè)計(jì)考慮是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，非單個(gè)器件。出現(xiàn)開關(guān)電源芯片失效是否是電路設(shè)計(jì)存在問題，是否是出現(xiàn)磁飽和。開關(guān)電源磁飽和與電路中相關(guān)器件配合等有直接關(guān)系，開關(guān)電源芯片、高頻變壓器、輸入電源、應(yīng)用環(huán)境等都是影響開關(guān)電源可靠性關(guān)鍵問題。開關(guān)芯片失效是否與磁飽和有關(guān)，一般磁飽和會(huì)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(duì)產(chǎn)生疑問進(jìn)行分析驗(yàn)證。

　　2.3.1 30226000004主板漏極波形測(cè)試(磁飽和測(cè)試分析)

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

　　分析結(jié)果：經(jīng)過對(duì)失效主板進(jìn)行整機(jī)分析驗(yàn)證及過載波形分析測(cè)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(cè)試開通瞬間漏極峰值電流小于設(shè)計(jì)值60%。

　　2.3.2 芯片ESD測(cè)試分析

　　POWER電源芯片應(yīng)用主板總32款，弱電側(cè)失效集中在商用靜音風(fēng)管多聯(lián)機(jī)主板，經(jīng)過對(duì)芯片弱電腳進(jìn)行ESD測(cè)試確定芯片ESD極限水平均超過10kV ，綜合評(píng)估非芯片ESD等級(jí)低，開關(guān)電源設(shè)計(jì)針對(duì)次級(jí)輸出靜電或是過電設(shè)計(jì)有專用的放電通道，并對(duì)電路設(shè)計(jì)做規(guī)范要求。是否是電路設(shè)計(jì)走線問題，針對(duì)問題展開分析驗(yàn)證。

　　經(jīng)過對(duì)芯片進(jìn)行開封解析，芯片晶圓表面實(shí)際沒有明顯過電燒毀點(diǎn)，部分有微小的失效點(diǎn)，類似ESD瞬間沖擊失效，企標(biāo)要求主板整機(jī)靜電放電承受水平達(dá)到1kV，是否是主板PCB走線設(shè)計(jì)存在問題產(chǎn)生瞬間放電導(dǎo)致，安排對(duì)主板進(jìn)行整機(jī)靜電測(cè)試模擬驗(yàn)證，在測(cè)試模擬過程中，當(dāng)施加電壓達(dá)到12kV，15kV主板某位置出現(xiàn)瞬間閃光放電現(xiàn)象(放電圖片如圖3)，出現(xiàn)概率很低，查看閃光點(diǎn)在開關(guān)電源反饋電路位置。通過主板整機(jī)靜電方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證初步分析該板存在layout設(shè)計(jì)問題。

　　2.3.3 開關(guān)電源整機(jī)靜電設(shè)計(jì)放電通道分析

　　主板進(jìn)行ESD測(cè)線出現(xiàn)瞬間放電現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果不符合主板整機(jī)ESD設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)開關(guān)電源整體ESD設(shè)計(jì)有專門放電通道，一般家電類開關(guān)電源次級(jí)輸出放電通道主要是有兩種路徑，初次級(jí)直接通過放電齒設(shè)計(jì)也可以是Y電容進(jìn)行跨接初次級(jí)進(jìn)行放電，高頻變壓器初次級(jí)耦合路徑放電，一般家用電器使用開關(guān)電源對(duì)于整機(jī)靜電放電設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面。具體放電設(shè)計(jì)走線如下。

　　靜電放電路徑1：在后級(jí)電路引入靜電等高能量的沖擊，電荷釋放路徑1 是通過跨接初次級(jí)之間安規(guī)電容，將電荷直接通過初級(jí)電解電容釋放。放電路徑及設(shè)計(jì)走線如下圖4。

　　靜電放電路徑2：在后級(jí)電路引入靜電等高能量的沖擊，電荷釋放路徑2 是通過高頻變壓器初次級(jí)耦合路徑傳輸。放電路徑及設(shè)計(jì)走線如下圖5。

　　2.3.4 主板整機(jī)ESD測(cè)試出現(xiàn)放電現(xiàn)象及回路分析

　　按企標(biāo)主板整機(jī)ESD測(cè)試方案對(duì)主板進(jìn)行ESD測(cè)試并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在主板ESD測(cè)試靜電水平達(dá)到15000 V，會(huì)出現(xiàn)一定概率的放電現(xiàn)象，放電點(diǎn)經(jīng)過確認(rèn)是開關(guān)電源次級(jí)輸出給開關(guān)芯片供電電路片狀電阻R100對(duì)反饋電路片狀電容C79進(jìn)行瞬間放電，如下圖6所示。

　　通過查閱開關(guān)電源設(shè)計(jì)資料，針對(duì)開關(guān)電源靜電放電設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面解決電荷釋放。失效主板靜電設(shè)計(jì)路徑1使用是Y電容跨接初次級(jí)接初級(jí)電解電容。失效主板設(shè)計(jì)及走線符合設(shè)計(jì)無異常。放電路徑2走線設(shè)計(jì)進(jìn)行分析確定失效主板走線設(shè)計(jì)如下，模擬出現(xiàn)瞬間放電 絲印位置是片狀電阻R100對(duì)片狀電容C79進(jìn)行瞬間放電，片狀電容C79正是連接到開關(guān)芯片3腳信號(hào)反饋口，經(jīng)過對(duì)比其他開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)走線及PCB設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)現(xiàn)R100對(duì)C79走線設(shè)計(jì)存在問題，走線間隙過小，一旦次級(jí)引入能量達(dá)到一定等級(jí)擊穿空氣直接對(duì)片狀電容C79(即電源芯片3腳)進(jìn)行放電，芯片口因?yàn)殪o電損傷導(dǎo)致無法正常工作，失效 是該位置電路靜電瞬間放電導(dǎo)致。經(jīng)過模擬整機(jī)ESD測(cè)試記錄大量數(shù)據(jù)出現(xiàn)一單芯片受損現(xiàn)象，與售后失效模式相同。

　　設(shè)計(jì)缺陷點(diǎn)1：查看開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)走線及PCB設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)現(xiàn)R100對(duì)C79走線設(shè)計(jì)存在問題，走線間隙過小。存在瞬間擊穿空氣放電隱患。放電點(diǎn)如下圖7標(biāo)示位置。實(shí)際驗(yàn)證確定該問題存在，會(huì)出現(xiàn)芯片擊穿失效。

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

　　2.3.5 分析總結(jié)

　　商用靜音多聯(lián)機(jī)主板在售后出現(xiàn)大比例失效分析是開關(guān)電源芯片失效導(dǎo)致，經(jīng)過對(duì)芯片失效分析及電路設(shè)計(jì)走線等分析確定失效主板PCB走線設(shè)計(jì)存在缺陷，在生產(chǎn)過程中存在開關(guān)電源輸出端引入靜電是會(huì)通過高頻變壓器靜電傳輸耦合路徑2進(jìn)行放電，PCB走線設(shè)計(jì)存在缺陷 R100對(duì)C79走線設(shè)計(jì)間隙過小，一旦次級(jí)引入能量達(dá)到一定等級(jí)擊穿空氣直接對(duì)電源芯片3腳進(jìn)行放電，芯片口因?yàn)殪o電損傷導(dǎo)致無法正常工作。通過優(yōu)化電路走線設(shè)計(jì)徹底有效隔離次級(jí)回路與反饋電路之間的電氣間隙，有效解決問題。

3 開關(guān)芯片失效整改措施

　　3.1 開關(guān)芯片失效解決方案

4 整改效果評(píng)估及應(yīng)用效果驗(yàn)證

　　通過對(duì)優(yōu)化開關(guān)電源電路PCB走線設(shè)計(jì)后主板進(jìn)行整機(jī)ESD測(cè)試，目前主板ESD水平在18kV，部分達(dá)到20kV，沒有再出現(xiàn)放電現(xiàn)象，評(píng)估整改方案有效。

5 開關(guān)芯片失效整改總結(jié)及意義

　　本次售后大批出現(xiàn)開關(guān)芯片失效屬于開關(guān)電源電路PCB走線設(shè)計(jì)缺陷，在電路設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)未能有效解決開關(guān)電源靜電放電設(shè)計(jì)，走線設(shè)計(jì)存在缺陷評(píng)估不充分導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)失效，通過優(yōu)化電路走線設(shè)計(jì)并經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證確定可以有效解決問題。

　　參考文獻(xiàn)：

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