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整流橋性能提升的可靠性研究

作者:李帥,項永金,張秀鳳(格力電器(合肥)有限公司,合肥 230088)時間:2021-10-09來源:電子產品世界收藏
編者按:針對空調用整流橋電路設計問題,本文從整流橋失效機理、器件結構、工藝設計、可靠性等方面,對不同品牌進行對比分析。通過整流橋失效機理分析、器件結構對比、X-ray、超景深微鏡、QT2等設備對器件進行全面分析論斷。分析結果表明:整流橋設計余量與電路匹配存在不足,在使用過程中容易因整流橋過壓、IFSM抗沖擊能力低導致過電失效。本次從器件本身可靠性設計進行整改,提升產品質量。


本文引用地址:http://www.recipesarchive.com/article/202110/428721.htm

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,普遍應用于電子產品,圖1 是整流橋原理圖。它利用二極管正向導通、反向截止的原理,在每個工作周期內只允許2 個二極管工作,實現對交流電路的電流單向流通,并使用單向導通功能實現將交流電轉換成單向的直流電壓。本文從整流橋失效機理、失效因素等方面進行分析,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。

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1   事件背景

隨著全球變暖,各國家、地區出現氣候極端現象越加普遍,節能減排成為全球共同努力的趨勢。更加節能、高效的變頻空調越來越受到廣大消費者的青睞,空調用整流橋引入X 廠家A 型號整流橋后,用戶反饋空調不工作問題突出,表現為外機電器盒不通電,導致內外機不能進行通信,核實確認為整流橋失效導致。新國標機型的切換能效提高,導致變頻機生產逐漸上量,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。

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2   整流橋失效原因及失效機理分析

2.1 整流橋外觀核實未發現機械損傷異常現象。

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行檢測,觀察短態的雙向正反向特性,發現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( ~‐- );

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圖2 整流橋二極管晶元特性測試圖

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圖3 整流橋內部電路結構

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

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圖4 X-ray核實整流橋內部情況

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。電流損壞發生在芯片的中心部位呈圓環帶狀;電壓損壞發生在芯片的邊緣位置呈斑點狀。實際的損壞還會造成裂痕,層狀剝離等更復雜的現象,僅從整流橋單體無法確定損壞原因(圖5)。

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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系,可以根據熔痕的位置(= 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 結構可靠性

1)布點實測:X 廠家與Y 廠家結構不同布點位置也存在不同,本體芯片溫度測試布點在芯片上,+/- 引腳間IF=25 A、時間180 s、各chip 上的本體溫度(Tc)、引腳溫度(Tl) 進行測試(如圖6 ~ 7)。

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圖6 Y廠家布點位置

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圖7 X廠家布點位置

引腳溫度測試布點在引出端位置一致(如圖8)。

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圖8 引腳溫度測試布點位置

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圖9 實測溫度值IF=25 A

2)軟件模擬:參考實測的本體溫度(Tc),引腳溫度(Tl),設定電流25 A、實施X 廠家/Y 廠家的封裝內部熱仿真,如圖10。

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圖10 5S封裝熱模擬IF=25 A

結合以上結構可靠性布點實測和軟件模擬,得出Y廠家Chip 溫度超過150 ℃,X 廠家ATjMAX=150 ℃。從模擬結果可以確認,Y 廠家2 腳、3 腳的實測溫度高是由于離芯片的距離非常近的事實引起的。一般的基板的玻璃化轉變溫度為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,在實際生產中容易造成錯位,影響可靠性,因此推測非常不穩定,銅的成分比較少,影響散熱效果、導熱特性不均勻。從結構散熱可靠性分析,X 廠家優于Y 廠家整流橋結構。

3.2 性能參數可靠性

1)使用萬用表測試PN、阻抗,QT2 測試反向極限耐壓,發現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 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 值所示,技術參數對比發現,Y 廠家 值比X 廠家高40 A(如表2)。

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同此使用IFSM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 的參數通過制定Tp 下最大容許電流值計算出來,公式如下:

I2 * T =(IFSM/ √ 2)*Tp

其中IFSM 單位:A;Tp 單位:s。

4   整流橋優化方案

通過對比各廠家整流器性能參數,發現X 廠家能力比Y 廠家弱,且多個性能測試數值低,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,按照現有使用Y廠家編碼同此進行提升,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,增強整流橋整體能力;

3)優化后的整流橋,從各方面性能參數提升,并結合其特有結構優勢,綜合性能會有整體提升。

5   整改方案可靠性驗證

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。

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5.2 常規參數對比

正向電壓VF 測試結果: 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據如下,新制品:340 ~ 370 A、舊制品:240 ~ 260 A(如圖11)。

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圖11 X廠家整流橋新、舊制品IFSM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),有效提高數千伏級抗雷擊能力。

5.5 整流橋新品ESD水平測試

●   機械模式:機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)。

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圖12 X廠家整流橋新舊制品抗雷擊浪涌測試

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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。

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圖14 ESD測試前正常品

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圖15 ESD測試前失效狀態

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: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,新品進一步提高物料在實際應用中工作可靠性,應用失效故障率進一步下降(如表4)。

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6   整流橋失效整改總結及意義

本文結合大量失效品分析,對整流橋失效原因、失效機理分析及結構可靠性等多方面進行核實,經過對整流橋結構、性能參數可靠性對比論證,發現需從器件本身進行整改。通過對比分析方法,優化整流橋可靠性數據,從器件本身提高器件的整體可靠性,有良好借鑒作用。在數據分析過程中,存在不同國家電網頻率不同的現象,對于測試的數據也存在差異性,不同情況下測試的值參考對比的準確性存在不足,因此測試值需要在同等情況下進行對比。器件在不同環境下使用的故障率是否也存在不同,還有待于繼續研究。通過此次整改,對器件可靠性進行詳細有效的測試評估,通過與不同廠家對比分析結構、性能參數,提煉不同廠家結構優勢、參數優勢,推動優化器件整體性能,以提高產品的結構可靠性。

參考文獻:

[1] 解偉,趙冰清,李文濤,等.空調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.

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[3] 孫娜琳,孫雅姝,李柬張.整流二極管技術及在各領域的應用[J].產業與科技論壇,2011(23):70-71.

(本文來源于《電子產品世界》雜志2021年9月期)



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