整流橋性能提升的可靠性研究

0   引言

整流橋是將橋式整流的4 個(gè)二極管封裝一起，只引出4 個(gè)引腳，是具有整流作用的電子器件，普遍應(yīng)用于電子產(chǎn)品，圖1 是整流橋原理圖。它利用二極管正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟脑?，在每個(gè)工作周期內(nèi)只允許2 個(gè)二極管工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電路的電流單向流通，并使用單向?qū)üδ軐?shí)現(xiàn)將交流電轉(zhuǎn)換成單向的直流電壓。本文從整流橋失效機(jī)理、失效因素等方面進(jìn)行分析，其整改方案思路可以為同類(lèi)型整流橋廠家失效分析整改提供借鑒和參考。

1   事件背景

隨著全球變暖，各國(guó)家、地區(qū)出現(xiàn)氣候極端現(xiàn)象越加普遍，節(jié)能減排成為全球共同努力的趨勢(shì)。更加節(jié)能、高效的變頻空調(diào)越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的青睞，空調(diào)用整流橋引入X 廠家A 型號(hào)整流橋后，用戶反饋空調(diào)不工作問(wèn)題突出，表現(xiàn)為外機(jī)電器盒不通電，導(dǎo)致內(nèi)外機(jī)不能進(jìn)行通信，核實(shí)確認(rèn)為整流橋失效導(dǎo)致。新國(guó)標(biāo)機(jī)型的切換能效提高，導(dǎo)致變頻機(jī)生產(chǎn)逐漸上量，功率器件整流橋失效越來(lái)越多，整流橋可靠性問(wèn)題急需解決。

2   整流橋失效原因及失效機(jī)理分析

2.1 整流橋外觀核實(shí)未發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷異常現(xiàn)象。

2.2 萬(wàn)用表測(cè)試整流橋二極管存在短路，整流橋二極管晶元（D1 ～ D4）失效位置不集中。使用特性曲線測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，觀察短態(tài)的雙向正反向特性，發(fā)現(xiàn)整流橋二極管晶元存在短路圖形；

圖2 左圖正向電壓（VF）：0.5[V]，2.0[A]/Div；

圖2 右圖方向漏電流（IR）：200[V]，10[μ]/Div；

圖3 從上到下依次為：D1( ＋‐～ )、D2( ＋‐～ )、

D3( ～‐－ )、D4( ～‐－ )；

圖2 整流橋二極管晶元特性測(cè)試圖

圖3 整流橋內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

2.3 整流橋二極管晶元（D1 ～ D4）失效位置不集中。X-ray 核實(shí)整流橋內(nèi)部焊接情況，內(nèi)部有過(guò)電損傷點(diǎn)（圖4）。

圖4 X-ray核實(shí)整流橋內(nèi)部情況

2.4 開(kāi)封觀察分析

從芯片破壞照片看，過(guò)電壓擊穿引起的可能性較大。電流損壞發(fā)生在芯片的中心部位呈圓環(huán)帶狀；電壓損壞發(fā)生在芯片的邊緣位置呈斑點(diǎn)狀。實(shí)際的損壞還會(huì)造成裂痕，層狀剝離等更復(fù)雜的現(xiàn)象，僅從整流橋單體無(wú)法確定損壞原因（圖5）。

圖5 整流橋開(kāi)封觀察

二極管芯片的熔痕是浪涌電壓造成芯片損壞短路后瞬間流過(guò)大電流劇烈發(fā)熱所造成的。熔痕本身屬于二次被害，與損壞原因沒(méi)有直接關(guān)系，可以根據(jù)熔痕的位置（= 最初損壞的位置）來(lái)推測(cè)損壞的原因。

3   整流橋可靠性分析

3.1 結(jié)構(gòu)可靠性

1）布點(diǎn)實(shí)測(cè)：X 廠家與Y 廠家結(jié)構(gòu)不同布點(diǎn)位置也存在不同，本體芯片溫度測(cè)試布點(diǎn)在芯片上，+/- 引腳間I_F=25 A、時(shí)間180 s、各chip 上的本體溫度(Tc)、引腳溫度(Tl) 進(jìn)行測(cè)試（如圖6 ～ 7）。

圖6 Y廠家布點(diǎn)位置

圖7 X廠家布點(diǎn)位置

引腳溫度測(cè)試布點(diǎn)在引出端位置一致（如圖8）。

圖8 引腳溫度測(cè)試布點(diǎn)位置

圖9 實(shí)測(cè)溫度值I_F=25 A

2）軟件模擬：參考實(shí)測(cè)的本體溫度（T_c），引腳溫度（T_l），設(shè)定電流25 A、實(shí)施X 廠家/Y 廠家的封裝內(nèi)部熱仿真，如圖10。

圖10 5S封裝熱模擬I_F=25 A

結(jié)合以上結(jié)構(gòu)可靠性布點(diǎn)實(shí)測(cè)和軟件模擬，得出Y廠家Chip 溫度超過(guò)150 ℃，X 廠家ATjMAX=150 ℃。從模擬結(jié)果可以確認(rèn)，Y 廠家2 腳、3 腳的實(shí)測(cè)溫度高是由于離芯片的距離非常近的事實(shí)引起的。一般的基板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為130 ～ 150 ℃。Y 廠家銅架連接方式（端子到芯片）為棒狀，銅架連接的形狀非常細(xì)，在實(shí)際生產(chǎn)中容易造成錯(cuò)位，影響可靠性，因此推測(cè)非常不穩(wěn)定，銅的成分比較少，影響散熱效果、導(dǎo)熱特性不均勻。從結(jié)構(gòu)散熱可靠性分析，X 廠家優(yōu)于Y 廠家整流橋結(jié)構(gòu)。

3.2 性能參數(shù)可靠性

1）使用萬(wàn)用表測(cè)試PN、阻抗，QT2 測(cè)試反向極限耐壓，發(fā)現(xiàn)Y 廠家極限耐壓比X 廠家極限耐壓高500 V以上。

2）正向浪涌電流IFSM 為電源接通瞬間流入的峰值電流，在頻率為50 Hz 條件下，測(cè)試X、Y 廠家IFSM 值所示，技術(shù)參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Y 廠家IFSM 值比X 廠家高40 A（如表2）。

同此使用I_FSM值計(jì)算電流平方與時(shí)間的乘積I2 * T，Y 廠家比X 廠家高。I2 * T 的參數(shù)通過(guò)制定Tp 下最大容許電流值計(jì)算出來(lái)，公式如下：

I2 * T =（I_FSM/ √ 2）*Tp

其中IFSM 單位：A；Tp 單位：s。

4   整流橋優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)比各廠家整流器性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)X 廠家抗沖擊能力比Y 廠家弱，且多個(gè)抗沖擊性能測(cè)試數(shù)值低，需要從器件單體本身增加單品橋堆的可靠性。

1）提升整流橋二極管耐壓等級(jí)，按照現(xiàn)有使用Y廠家編碼同此進(jìn)行提升，從而提升整流橋極限耐壓值，使X 廠家極限耐壓值逼近Y 廠家要求；

2）提升IFSM 抗浪涌沖擊能力，增強(qiáng)整流橋整體抗沖擊能力；

3）優(yōu)化后的整流橋，從各方面性能參數(shù)提升，并結(jié)合其特有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，綜合性能會(huì)有整體提升。

5   整改方案可靠性驗(yàn)證

5.1 新品晶元面積增加，骨架相同，抗雷擊、浪涌能力提升，IFSM 抗浪涌電流能力提升。具體新舊制品對(duì)比如表3 所示。

5.2 常規(guī)參數(shù)對(duì)比

正向電壓VF 測(cè)試結(jié)果： 新電元波動(dòng)范圍0.963～1.009 V，平均值0.977 V，新制品0.924～0.938 V，平均值0.972 V，新舊制品一致；漏電流測(cè)試結(jié)果：新制品整流橋漏電流整體平均值小于舊制品0.020 μA。

5.3 抗浪涌電流能力IFSM：新制品對(duì)比舊制品測(cè)試數(shù)據(jù)如下，新制品：340 ～ 370 A、舊制品：240 ～ 260 A（如圖11）。

圖11 X廠家整流橋新、舊制品I_FSM測(cè)試

5.4 抗雷擊浪涌能力：新制品最大約為21 kV，舊制品約為15 kV（如圖12），有效提高數(shù)千伏級(jí)抗雷擊能力。

5.5 整流橋新品ESD水平測(cè)試

●   機(jī)械模式：機(jī)械模式接觸放電測(cè)試，測(cè)試條件0 Ω，330 pF 測(cè)試，測(cè)試有近300 V 提升；

●   人體模式：人體模式接觸放電測(cè)試，測(cè)試條件2 kΩ，200 pF 測(cè)試， 測(cè)試X廠家測(cè)試電壓整改后（11 187.5 V） 比整改前（9 000 V） 提升24.31%；Y廠家樣品，測(cè)試平均值為16 500 V（如圖13）。

圖12 X廠家整流橋新舊制品抗雷擊浪涌測(cè)試

圖13 整流橋ESD測(cè)試

使用QT2 測(cè)試X 廠家整流橋ESD 測(cè)試前后特性曲線（100 V/DIV）如圖14 及圖15。

圖14 ESD測(cè)試前正常品

圖15 ESD測(cè)試前失效狀態(tài)

X 廠家整流橋新舊物料整改方案及整改效果測(cè)試對(duì)比總結(jié)：整流橋新品抗浪涌電流能力及抗雷擊浪涌能力有顯著提升，抗靜電水平也有顯著提升，新品進(jìn)一步提高物料在實(shí)際應(yīng)用中工作可靠性，應(yīng)用失效故障率進(jìn)一步下降（如表4）。

6   整流橋失效整改總結(jié)及意義

本文結(jié)合大量失效品分析，對(duì)整流橋失效原因、失效機(jī)理分析及結(jié)構(gòu)可靠性等多方面進(jìn)行核實(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)整流橋結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)可靠性對(duì)比論證，發(fā)現(xiàn)需從器件本身進(jìn)行整改。通過(guò)對(duì)比分析方法，優(yōu)化整流橋可靠性數(shù)據(jù)，從器件本身提高器件的整體可靠性，有良好借鑒作用。在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，存在不同國(guó)家電網(wǎng)頻率不同的現(xiàn)象，對(duì)于測(cè)試的數(shù)據(jù)也存在差異性，不同情況下測(cè)試的值參考對(duì)比的準(zhǔn)確性存在不足，因此測(cè)試值需要在同等情況下進(jìn)行對(duì)比。器件在不同環(huán)境下使用的故障率是否也存在不同，還有待于繼續(xù)研究。通過(guò)此次整改，對(duì)器件可靠性進(jìn)行詳細(xì)有效的測(cè)試評(píng)估，通過(guò)與不同廠家對(duì)比分析結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)，提煉不同廠家結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)、參數(shù)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)優(yōu)化器件整體性能，以提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 解偉,趙冰清,李文濤,等.空調(diào)整流橋的工作可靠性研究——以A廠家15A/800V整流橋售后失效為例[J].河南科技,2018(32):38-40.

[2] 鄧北川.談?wù)劰枵鳂螂娐返膶W(xué)習(xí)與應(yīng)用[J］.西安航空技術(shù)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2000(1):34-36.

[3] 孫娜琳,孫雅姝,李柬張.整流二極管技術(shù)及在各領(lǐng)域的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2011(23):70-71.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）