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 個二極管封裝一起，只引出4 個引腳，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)?、反向截止的原理，在每個工作周期內(nèi)只允許2 個二極管工作，實(shí)現(xiàn)對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。更加節(jié)能、高效的變頻空調(diào)越來越受到廣大消費(fèi)者的青睞，空調(diào)用整流橋引入X 廠家A 型號整流橋后，用戶反饋空調(diào)不工作問題突出，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越多，整流橋可靠性問題急需解決。

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?，F(xiàn)象。

2.2 萬用表測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。使用特性曲線測試儀進(jìn)行檢測，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 開封觀察分析

從芯片破壞照片看，過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，僅從整流橋單體無法確定損壞原因（圖5）。

圖5 整流橋開封觀察

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，與損壞原因沒有直接關(guān)系，可以根據(jù)熔痕的位置（= 最初損壞的位置）來推測損壞的原因。

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

圖6 Y廠家布點(diǎn)位置

圖7 X廠家布點(diǎn)位置

引腳溫度測試布點(diǎn)在引出端位置一致（如圖8）。

圖8 引腳溫度測試布點(diǎn)位置

圖9 實(shí)測溫度值I_F=25 A

2）軟件模擬：參考實(shí)測的本體溫度（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)測和軟件模擬，得出Y廠家Chip 溫度超過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)中容易造成錯位，影響可靠性，因此推測非常不穩(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）使用萬用表測試PN、阻抗，QT2 測試反向極限耐壓，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，測試X、Y 廠家IFSM 值所示，技術(shù)參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，Y 廠家IFSM 值比X 廠家高40 A（如表2）。

同此使用I_FSM值計算電流平方與時間的乘積I2 * T，Y 廠家比X 廠家高。I2 * T 的參數(shù)通過制定Tp 下最大容許電流值計算出來，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

通過對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，且多個抗沖擊性能測試數(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，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，綜合性能會有整體提升。

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。具體新舊制品對比如表3 所示。

5.2 常規(guī)參數(shù)對比

正向電壓VF 測試結(jié)果： 新電元波動范圍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：新制品對比舊制品測試數(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)千伏級抗雷擊能力。

5.5 整流橋新品ESD水平測試

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

●   人體模式：人體模式接觸放電測試，測試條件2 kΩ，200 pF 測試， 測試X廠家測試電壓整改后（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試

圖13 整流橋ESD測試

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

圖14 ESD測試前正常品

圖15 ESD測試前失效狀態(tài)

X 廠家整流橋新舊物料整改方案及整改效果測試對比總結(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)過對整流橋結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)可靠性對比論證，發(fā)現(xiàn)需從器件本身進(jìn)行整改。通過對比分析方法，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)分析過程中，存在不同國家電網(wǎng)頻率不同的現(xiàn)象，對于測試的數(shù)據(jù)也存在差異性，不同情況下測試的值參考對比的準(zhǔn)確性存在不足，因此測試值需要在同等情況下進(jìn)行對比。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。通過此次整改，對器件可靠性進(jìn)行詳細(xì)有效的測試評估，通過與不同廠家對比分析結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)，提煉不同廠家結(jié)構(gòu)優(yōu)勢、參數(shù)優(yōu)勢，推動優(yōu)化器件整體性能，以提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）