POWER開關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，質量主管，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際應用一段時間后出現(xiàn)主板失效問題， 數據統(tǒng)計分析及實際主板復核分析是開關電源電路中開關芯片失效 ，芯片損傷點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，本文從器件應用、開關電源電路靜電放電設計、 PCB走線設計進行全面驗證分析，最終確定是電路PCB走線設計存在缺陷，通過優(yōu)化電路PCB走線設計有效解決問題。

0 引言

　　隨著電子技術發(fā)展，集成芯片IC得到廣泛應用，開關電源芯片經過多年發(fā)展已經很高集成度，其中POWER集成式開關芯片集成度高，低功耗，大容量設計、體積小、可靠性高在家電控制器開關電源電路得到大量應用 。

　　開關電源作為新型高效電源在家電控制系統(tǒng)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。因此研究開關電源電路整體設計及工作可靠性 ，提高消費者對品牌的滿意度具有十分重要的意義。

1 事件背景

　　商用變頻空調控制系統(tǒng)用控制器在實際應用一段時間后出現(xiàn)主板失效問題，經過大量數據統(tǒng)計分析及實際主板失效分析確定是開關電源電路中的開關芯片失效導致，經過統(tǒng)計空調實際應用維修數據，因開關芯片過電失效導致售后投訴單數達近百單，占整個控制器售后故障率2.9%,控制器售后大比例失效嚴重影響空調整體產品質量及用戶實際體驗效果。問題急需進行分析研究解決。

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(tǒng)計應用失效數據顯示售后POWER開關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，強電側沒有出現(xiàn)明顯失效，MOS管耐壓測試正常，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電路對應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分析

　　售后復核出現(xiàn)大量的開關電源不工作，經過分析檢測是開關電源芯片失效，選取售后退回11單失效主板進行芯片失效檢測分析，通過對器件失效點進行檢測分析匯總發(fā)現(xiàn)芯片失效集中3腳短路失效突出。主板30226000004等靜音風管機主板開關芯片集中在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(xiàn)為本體有明顯過電擊穿點，檢測對應漏極受損或是短路。失效模式有所不同。

　　科匯開關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鍵參數對比如表2。

　　2.3 磁飽和分析

　　開關電源設計考慮是整個系統(tǒng)設計，非單個器件。出現(xiàn)開關電源芯片失效是否是電路設計存在問題，是否是出現(xiàn)磁飽和。開關電源磁飽和與電路中相關器件配合等有直接關系，開關電源芯片、高頻變壓器、輸入電源、應用環(huán)境等都是影響開關電源可靠性關鍵問題。開關芯片失效是否與磁飽和有關，一般磁飽和會導致芯片漏極產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，針對產生疑問進行分析驗證。

　　2.3.1 30226000004主板漏極波形測試(磁飽和測試分析)

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

　　分析結果：經過對失效主板進行整機分析驗證及過載波形分析測試確定電源芯片失效非磁飽和問題導致。實際開關電源漏極耐壓設計余量充足。整體測試開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管多聯(lián)機主板，經過對芯片弱電腳進行ESD測試確定芯片ESD極限水平均超過10kV ，綜合評估非芯片ESD等級低，開關電源設計針對次級輸出靜電或是過電設計有專用的放電通道，并對電路設計做規(guī)范要求。是否是電路設計走線問題，針對問題展開分析驗證。

　　經過對芯片進行開封解析，芯片晶圓表面實際沒有明顯過電燒毀點，部分有微小的失效點，類似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走線設計存在問題產生瞬間放電導致，安排對主板進行整機靜電測試模擬驗證，在測試模擬過程中，當施加電壓達到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，查看閃光點在開關電源反饋電路位置。通過主板整機靜電方案實驗驗證初步分析該板存在layout設計問題。

　　2.3.3 開關電源整機靜電設計放電通道分析

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

　　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 是通過跨接初次級之間安規(guī)電容，將電荷直接通過初級電解電容釋放。放電路徑及設計走線如下圖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 是通過高頻變壓器初次級耦合路徑傳輸。放電路徑及設計走線如下圖5。

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

　　按企標主板整機ESD測試方案對主板進行ESD測試并對數據進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)在主板ESD測試靜電水平達到15000 V，會出現(xiàn)一定概率的放電現(xiàn)象，放電點經過確認是開關電源次級輸出給開關芯片供電電路片狀電阻R100對反饋電路片狀電容C79進行瞬間放電，如下圖6所示。

　　通過查閱開關電源設計資料，針對開關電源靜電放電設計主要從兩個方面解決電荷釋放。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符合設計無異常。放電路徑2走線設計進行分析確定失效主板走線設計如下，模擬出現(xiàn)瞬間放電 絲印位置是片狀電阻R100對片狀電容C79進行瞬間放電，片狀電容C79正是連接到開關芯片3腳信號反饋口，經過對比其他開關電源PCB設計走線及PCB設計規(guī)范發(fā)現(xiàn)R100對C79走線設計存在問題，走線間隙過小，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)進行放電，芯片口因為靜電損傷導致無法正常工作，失效 是該位置電路靜電瞬間放電導致。經過模擬整機ESD測試記錄大量數據出現(xiàn)一單芯片受損現(xiàn)象，與售后失效模式相同。

　　設計缺陷點1：查看開關電源PCB設計走線及PCB設計規(guī)范發(fā)現(xiàn)R100對C79走線設計存在問題，走線間隙過小。存在瞬間擊穿空氣放電隱患。放電點如下圖7標示位置。實際驗證確定該問題存在，會出現(xiàn)芯片擊穿失效。

　　設計缺陷點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紅色虛線走線設計。

　　2.3.5 分析總結

　　商用靜音多聯(lián)機主板在售后出現(xiàn)大比例失效分析是開關電源芯片失效導致，經過對芯片失效分析及電路設計走線等分析確定失效主板PCB走線設計存在缺陷，在生產過程中存在開關電源輸出端引入靜電是會通過高頻變壓器靜電傳輸耦合路徑2進行放電，PCB走線設計存在缺陷 R100對C79走線設計間隙過小，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腳進行放電，芯片口因為靜電損傷導致無法正常工作。通過優(yōu)化電路走線設計徹底有效隔離次級回路與反饋電路之間的電氣間隙，有效解決問題。

3 開關芯片失效整改措施

　　3.1 開關芯片失效解決方案

4 整改效果評估及應用效果驗證

　　通過對優(yōu)化開關電源電路PCB走線設計后主板進行整機ESD測試，目前主板ESD水平在18kV，部分達到20kV，沒有再出現(xiàn)放電現(xiàn)象，評估整改方案有效。

5 開關芯片失效整改總結及意義

　　本次售后大批出現(xiàn)開關芯片失效屬于開關電源電路PCB走線設計缺陷，在電路設計開發(fā)時未能有效解決開關電源靜電放電設計，走線設計存在缺陷評估不充分導致實際應用出現(xiàn)失效，通過優(yōu)化電路走線設計并經過實際試驗驗證確定可以有效解決問題。

　　參考文獻：

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　　[2] 姬海寧. 高頻開關電源變壓器的優(yōu)化設計及其應用 [J]. 電子科技大學. 2003-01-01

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