變頻電源開關(guān)芯片炸裂的失效分析與可靠性研究

開關(guān)電源電路憑借良好的性能得到了廣泛應(yīng)用，作為開關(guān)電源電路的重要組成器件，開關(guān)芯片決定了開關(guān)電源的質(zhì)量。2019 年后，由于空調(diào)高端智能化、綠色節(jié)能化、友好交互化，空調(diào)機型也在不斷變化，對電源設(shè)計要求更高，電源電路設(shè)計也越來越多樣化、復(fù)雜化；電源電路主題設(shè)計也在不斷變化，以前開關(guān)電源只是用在變頻外機，使用量較少，現(xiàn)開關(guān)電源電路已用于生產(chǎn)的所有產(chǎn)品。隨著開關(guān)電源電路的大量使用，因開關(guān)芯片導致的售后失效也呈逐年上升趨勢，每年因開關(guān)芯片失效導致控制器失效的維修成本不斷上升。

1   事件背景

變頻空調(diào)外機開關(guān)電源SK 開關(guān)芯片在售后出現(xiàn)多單失效，核實發(fā)現(xiàn)高頻變壓器^[1] 輸入端連接的高壓瓷片電容有多單出現(xiàn)炸裂，未炸裂的瓷片電容測試也有短路失效。外觀檢查發(fā)現(xiàn)，連接開關(guān)電源芯片1 腳的3 個限流電阻、瓷片電容均出現(xiàn)大電流燒壞的現(xiàn)象, 如圖1 所示。因變頻外機板整個開關(guān)電源電路器件燒壞，導致外機不能工作，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量及品牌形象。

鎖定開關(guān)芯片失效及電阻燒毀與高壓瓷片電容有關(guān), 經(jīng)對高壓瓷片電容（型號：10 pF±5%/1 000 V）進行確認均為B 廠家生產(chǎn)，經(jīng)核實該型號電容的生產(chǎn)為A（國外）和B（國產(chǎn)）兩個廠家，分析表明，電容本身存在缺陷導致內(nèi)部短路的可能性較大。

圖1 失效樣品外觀圖

失效控制器主板集中在2018—2019 年生產(chǎn)的機器，A、B 廠家此編碼瓷片電容一直在使用，2019 年總使用量差不多60 多萬，B 廠家售后沒有出現(xiàn)失效，售后瓷片電容失效全部是A 廠家，分析表明，瓷片電容本身質(zhì)量異常導致開關(guān)芯片失效質(zhì)量異常可能性較大。

瓷片電容介質(zhì)耐壓很高，一般在電路中很難擊穿失效，對正常品瓷片電容測試極限耐壓，測試50PCS 全數(shù)通過3 倍額定電壓3 000 V，沒有出現(xiàn)擊穿失效。查看近幾年復(fù)核數(shù)據(jù)，均無單獨瓷片電容故障。統(tǒng)計瓷片電容各廠家供貨情況，B 廠家主要在2018 年開始批量使用。各廠家使用數(shù)量見表1。

2 開關(guān)芯片的失效故障原因及失效機理分析

分析表明，開關(guān)芯片失效及電阻燒毀與為電容本身存在缺陷導致內(nèi)部短路有關(guān)。開關(guān)芯片電路及開關(guān)芯片失效分析暫未發(fā)現(xiàn)異常，此次開關(guān)電源電路器件燒壞為B 廠家瓷片電容導致。

2.1 開關(guān)芯片電路工作原理分析

開關(guān)芯片引腳功能圖，SK 廠家開關(guān)芯片工作原理圖，如圖1 所示。

圖1 引腳功能圖

開關(guān)芯片各引腳功能描述如表2 所示。

2.2 瓷片電容的使用信息

經(jīng)查，此電容使用商用、家用、出口機器（較多），包括洗衣機，電路主要與電阻并聯(lián)于開關(guān)芯片D 漏極與SOCP 過流電路保護端，搭配SK 廠家開關(guān)芯片。

其他廠家開關(guān)芯片沒有搭配瓷片電容，對比SK 廠家3 款開關(guān)芯片外圍電路，D-S 極間串聯(lián)均為10 pF 瓷片電容＋ 10 Ω 貼片電阻，電路無差異。

2.3 失效主板故障現(xiàn)象統(tǒng)計分析

根據(jù)售后失效故障現(xiàn)象，主要為瓷片電容炸裂、限流電阻燒壞、開關(guān)電源芯片炸裂或燒壞^[2]，分析為開關(guān)電源芯片第1 腳過流信號輸入腳連接限流電阻和瓷片電容的電路有大電流進入，導致器件的損壞，且經(jīng)檢查器件焊接無異常。大電流產(chǎn)生的可能性如表3 所示。

2.4 失效故障件分析

B 廠家高壓瓷片電容主要故障為炸裂，本體上有炸裂紋，同時陶瓷芯片介質(zhì)已經(jīng)擊穿，擊穿位置位于陶瓷中部位置，焊接沒有問題。失效圖片如圖2 所示。

瓷片電容本體炸開，可以看到明顯的孔洞。產(chǎn)品的擊穿位置都在電容器芯片內(nèi)部，而且擊穿位置燒痕明顯，材料出現(xiàn)明顯碳化，這是由于電容器耐壓失效時有大電流通過出現(xiàn)的現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖2 高壓瓷片電容炸裂

圖3 陶瓷介質(zhì)芯片擊穿圖

B 廠家絕緣耐壓測試結(jié)果如表4 所示。

3   故障失效電路設(shè)計核查及模擬分析

3.1 開關(guān)芯片應(yīng)用電路圖

開關(guān)芯片電路原理如圖4 所示，高壓瓷片電容C123 是和R57 貼片電阻串聯(lián)形成了“RC 阻容模塊”，然后和電源芯片的MOSFET D-S 兩極并聯(lián)，用于改善MOSFET 在高速開關(guān)時的EMC 性能。

圖4 電路原理

用示波器檢測控制器通電時高壓瓷片電容兩端電壓，該高壓瓷片電容兩端正常工作電壓在405 V 左右，當壓縮機升頻到70 Hz 時，電壓最高在502 V 左右，遠低于1 000 V 工作電壓，如圖5 所示。

圖5 瓷片電容兩端電壓波形

經(jīng)模擬驗證，將B 廠家高壓瓷片電容兩端直接短路，并通電測試，出現(xiàn)開關(guān)電源芯片炸裂和限流電阻燒壞的情況，分析開關(guān)芯片失效與高壓瓷片電容質(zhì)量有關(guān)，如圖6 所示。

圖6 模擬驗證失效故障外觀

為模擬高壓瓷片電容漏電的情況，在高壓瓷片電容兩端分別并聯(lián)151 kΩ、94 kΩ、47 kΩ、26 kΩ、2.5 kΩ五種電阻進行通電驗證，發(fā)現(xiàn)47 kΩ 電阻在壓縮機頻率達到70 Hz 后，運行2 min 出現(xiàn)電阻表面燒壞發(fā)黑的情況，2.5 kΩ 電阻在壓縮機達到70 Hz 頻率后，就出現(xiàn)電阻燒壞的情況，如圖7 所示，同時限流電流也燒壞，與售后故障相似，但開關(guān)電源芯片已保護，并未出現(xiàn)損壞。即是在限流電阻承受大電流緩慢燒壞的過程中，開關(guān)電源芯片都能夠及時保護，進一步證明售后故障現(xiàn)象應(yīng)該是瞬間高壓沖擊短路產(chǎn)生大電流導致。

圖7 模擬驗證失效故障外觀圖

對電路工作原理的分析以及結(jié)合模擬驗證的情況，鎖定原因為高壓瓷片電容先短路后，使直流電路P 點電流經(jīng)過，并導致限流電阻燒壞、開關(guān)電源芯片炸裂。

4   同規(guī)格A、B廠家電容性能對比分析

4.1 A與B廠家瓷片電容對比分析

對2 個廠家瓷片電容進行對比分析，除本體尺寸外，其他無明顯差異，見表5。B 廠家的陶瓷芯片比A 廠家薄0.5 mm，但直徑大0.9 mm。在此種情況下容易因生產(chǎn)過程受力導致裂紋，引起耐壓不足，B 廠家芯片厚度為0.3 mm，A 廠家芯片厚度為0.8 mm；其余極限耐壓、焊接質(zhì)量等無異常。

瓷片電容生產(chǎn)過程原理如圖8 所示。

圖8 瓷片電容生產(chǎn)過程

4.2 瓷片電容極限耐壓測試

1）驗證采用50 V 的獨石電容，沒能擊穿復(fù)現(xiàn)故障，單獨測試獨石電容的極限耐壓可以達到1.3 kV 左右（測試阻抗只有20 kΩ 左右），遠超該電路上的電壓（極限500 V 左右）；

2）對B 和A 廠家的瓷片電容進行測試，其中B 廠家出現(xiàn)4 pcs 擊穿的情況，單獨擊穿電容測試絕緣電阻只有100 kΩ 級。

5   瓷片電容失效的解決方案

B 廠家電容器屬于NPO 溫度特性的電容器，電容器的芯片尺寸為：芯片厚度0.3 mm，芯片直徑5 mm；正常情況下電容器成品破壞電壓為6 kV 左右。但是該電容器芯片使用的是國產(chǎn)材料，受限于國產(chǎn)材料純度不高、均勻性不好、工藝參數(shù)波動較大等因素，導致國產(chǎn)電容器芯片余量范圍不穩(wěn)定，可靠性存在一定隱患。該規(guī)格的國產(chǎn)NPO 材質(zhì)的芯片耐壓范圍在（3~6）kV，進口（A 廠家）NPO 材質(zhì)芯片耐壓范圍在（5~6）kV，進口芯片的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性較好。國產(chǎn)芯片要想達到進口芯片相同的質(zhì)量，就必須增大安全系數(shù)，加大芯片的尺寸，增加芯片厚度將減少芯片結(jié)構(gòu)性缺陷，提升芯片的耐壓等級和質(zhì)量穩(wěn)定性。增加尺寸后，電容器耐壓范圍可以提升到（5~8）kV，可有效提升電容器耐壓性能和可靠性。

1）提升瓷片電容耐壓國產(chǎn)瓷片電容極限耐壓在（3~5）kV，提升達到（5~6）kV。

2）瓷片電容尺寸整改

分析發(fā)現(xiàn)B 廠家的電容芯片相對較薄且面積大，在制程中較容易產(chǎn)生受損裂紋缺陷，導致耐壓能力降低甚至擊穿，增大瓷片電容尺寸。

3）整改后制品性能對比

新制品規(guī)格書確認電容芯片厚度已更改，電容極限耐壓提升到（5~6）kV，且各項性能顯著提升。分析測試表明，新制品能達到額定電壓2 kV，極限電壓達到（10~12）kV，性能測試數(shù)據(jù)對比A 廠家無差異。新制品性能測試數(shù)據(jù)如表6 所示。

6   失效整改總結(jié)及意義

通過產(chǎn)品實際應(yīng)用過程中的問題反饋，本文從開關(guān)芯片的失效機理、失效因素、應(yīng)用電路、器件可靠性等多方面進行分析，對瓷片電容單體物料各項性能進行優(yōu)化，顯著提高MOSFET 在高速開關(guān)時的EMC 性能。為了保證開關(guān)電源電路的可靠性，通過提高瓷片電容的極限耐壓及各項性能參數(shù)，解決了器件在實際應(yīng)用中可靠性的問題，經(jīng)過實際應(yīng)用取得顯著效果。

參考文獻：

[1] 郗亮.高頻變壓器發(fā)展的研究[J].通信電源技術(shù),2018(03):237-238.

[2] 黃永俊,張居敏,胡月來.開關(guān)電源可靠性的設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2005(02):147-148.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）