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(duì)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(duì)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。

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(duì)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(shì)，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(guó)家用空調(diào)新能效標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，新能效實(shí)施對(duì)全球能效結(jié)構(gòu)趨勢(shì)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(jí)和新 3 級(jí)能效空調(diào)產(chǎn)品將是市場(chǎng)主導(dǎo)，尤其是新 1 級(jí)能效，預(yù)計(jì)市場(chǎng)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(duì)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(chǎng)使用的主流開關(guān)芯片廠家主要有美國(guó)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(zhǎng)。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(duì)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(duì)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(shì)，選用功率半導(dǎo)體元器件作為軟啟動(dòng)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(duì)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(dòng)器，信號(hào)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(jí)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(jí)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(jí)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(jiǎn)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(cè)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(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。

2.1 開關(guān)芯片單體分析

2.1.1 電參數(shù)測(cè)試分析

對(duì)失效主板檢測(cè)芯片 3 腳對(duì)地短路，3、4 腳短路，失效主板更換芯片測(cè)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(cè)試第 3 腳對(duì)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(duì)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(duì) 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(cè)試分析

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 900 mA，通電 50 次測(cè)試平均電流值在 800 mA-1.2 A。測(cè)試波形如圖 6 所示。

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 ESD、EOS過電隱患排查

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 10 kV，綜合評(píng)估非芯片 ESD 等級(jí)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(cè)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(cè)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(hào)芯片主要使用在柜內(nèi)機(jī)以及商用 機(jī)主板上，TOP264VG 型號(hào)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(hào)芯片失效最為突出。

2.3.1 電路對(duì)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(duì)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(cè)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(dòng)測(cè)試均自帶有放電電路，測(cè)試后電解電容殘留電壓低于芯片安全電壓 3 V。

對(duì) 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(jí)供電電路與開關(guān)芯片信號(hào)反饋電路測(cè)試點(diǎn)距離很近。

（2）開關(guān)芯片 3 腳測(cè)試過孔與地之間存在最短距離點(diǎn)。

（3）光耦輸出級(jí)短路隱患，自插光耦需要注意測(cè)試不能出現(xiàn) 3.4 腳短路隱患，光耦輸出級(jí)短路開關(guān)芯片弱電失效概率很高。

圖 9 所示測(cè)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(cè)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(chǔ)存電荷放電排查

使用示波器對(duì) 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(cè)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(cè)試過程測(cè)試點(diǎn)分布未發(fā)現(xiàn)明顯測(cè)試點(diǎn)短路隱患，測(cè)試工裝對(duì)控制器測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(huì)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(duì)電解電容有效放電。

3 開關(guān)芯片失效的解決方案

3.1 測(cè)試工裝增加放電工裝

電解電容增加放電工裝，對(duì)控制器開關(guān)芯片電源電路次級(jí)輸出供電光耦電路 47 μF 電容（300002000905 主板對(duì)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(cè)試效率，且放電工裝與放電部點(diǎn)損壞短路也會(huì)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(cè)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(cè)試完，光耦輸出級(jí)處于開路狀態(tài)，電解電容儲(chǔ)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(chǔ)存的電量，結(jié)果顯示儲(chǔ)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)失效點(diǎn)主要集中于 3 腳對(duì)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(cè)試完成后，測(cè)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(cè)試后放電未發(fā)現(xiàn)異常情況。

經(jīng)過對(duì)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(duì)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(cè)試開關(guān)電源放電設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)缺陷評(píng)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)