二級(jí)管與開(kāi)關(guān)管在H形電路中的失效關(guān)系

袁錕

（中國(guó)振華集團(tuán)永光電子有限公司 貴州貴陽(yáng) 550018）

二級(jí)管與開(kāi)關(guān)管在H形電路中的失效關(guān)系

袁錕

（中國(guó)振華集團(tuán)永光電子有限公司 貴州貴陽(yáng) 550018）

H形電路是電路設(shè)計(jì)師廣泛采用的一種電路設(shè)計(jì)模式，在H形電路中開(kāi)關(guān)管與二極管同時(shí)失效是其最典型的失效模式，本文主要介紹了該種失效的原因及原理。

簡(jiǎn)介

故障現(xiàn)象為T(mén)1#（IGBT）與D3#（開(kāi)關(guān)二極管）同時(shí)失效。

器件失效情況判斷：

（1）首先使用方排除了接反或器件自身反級(jí)導(dǎo)致電路失效的可能性。

（2）產(chǎn)品替換后電路恢復(fù)正常工作，排除電路中其他器件影響導(dǎo)致這兩只產(chǎn)品的失效。

（3）是否器件選型耐壓余量不足導(dǎo)致器件擊穿失效，兩只失效產(chǎn)品的電性能參數(shù)：IGBT的VCE≥600V；二極管管的VRRM≥600V。標(biāo)稱(chēng)反向耐壓值降額系數(shù)達(dá)0.42，其耐壓余量完全可以保證電源電壓波動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致器件被擊穿。

1 機(jī)理分析

1.1 外觀(guān)檢查

在20倍光學(xué)顯微鏡無(wú)異常。

1.2 X-RAY內(nèi)部透視

透視觀(guān)察發(fā)現(xiàn)管芯位置處存在黑色異常點(diǎn)將電極兩端連接起來(lái)，該異常點(diǎn)可能是管芯兩端的焊料流出跨過(guò)管芯臺(tái)面連接或管芯承受過(guò)功率沖擊導(dǎo)致管芯內(nèi)部燒毀密度改變。

IGBT透視未見(jiàn)異常。

1.3 曲線(xiàn)掃描呈短路狀態(tài)

1.4 解剖分析

1.4.1 二極管解剖分析

去除二極管表面材料后。通過(guò)高倍顯微鏡觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)鍵合用焊料二次熔化，熔化的焊料橫跨過(guò)管芯臺(tái)面連到兩端電極上。

分析溢料成分 Cu（44.2％）、Pb（44.2％）、Sn（8.4％）、Ag（3.2％）。Cu 元素是失效樣品的銅釘頭帶來(lái)的，焊料成分為PbSnAg，受設(shè)備影響，無(wú)法精確檢測(cè)出焊料中各元素的含量比例，也就無(wú)法判斷出其焊料的熔化溫度，但一般焊料熔化溫度要保證在230℃以上，因此我們判斷器件曾經(jīng)遭到大功率沖擊，其失效是由于發(fā)熱量過(guò)大導(dǎo)致管芯與電極焊接處的焊料二次熔化，熔化的焊料跨過(guò)管芯臺(tái)面將電極兩端短路。

1.4.2 IGBT解剖分析

去掉IGBT表面塑封體，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在發(fā)射極上以一顆較粗的鋁絲作為E級(jí)內(nèi)引線(xiàn)，以一顆較細(xì)的鋁絲作為G級(jí)內(nèi)引線(xiàn)，管芯尺寸4.0mm×3.2mm，通過(guò)高倍顯微鏡觀(guān)察，在E級(jí)表面觀(guān)察到過(guò)熱擊穿點(diǎn)同時(shí)在過(guò)熱擊穿位置發(fā)現(xiàn)塑封料碳化現(xiàn)象，我們認(rèn)為熱擊穿點(diǎn)和塑封料碳化是因?yàn)槭Мa(chǎn)品曾經(jīng)發(fā)生過(guò)過(guò)流，過(guò)流產(chǎn)生了高溫在管芯表面形成了熱擊穿點(diǎn)并將熱擊穿點(diǎn)周?chē)乃芊饬咸蓟?，該熱擊穿點(diǎn)會(huì)引起器件CE級(jí)短路，進(jìn)一步觀(guān)察該熱擊穿點(diǎn)未觀(guān)察到熱擊穿點(diǎn)向E級(jí)引腳根部移動(dòng)的現(xiàn)象和熔坑，判斷該異常雖存在過(guò)流、過(guò)功率但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)。但E極的熱擊穿點(diǎn)并不會(huì)導(dǎo)致失效樣品的GE和GC極短路（在前面的“2.3特性曲線(xiàn)測(cè)試”中曾檢測(cè)到樣品的GE和GC極短路），為找到失效樣品GE和GC極短路的原因，我們進(jìn)一步仔細(xì)觀(guān)察失效樣品的管芯表面在管芯的G級(jí)上靠管芯邊緣處發(fā)現(xiàn)一條細(xì)微的裂縫，該裂縫是導(dǎo)致器件的GC和GE級(jí)短路的原因，我們分析該裂縫產(chǎn)生的原因是由于管芯承受大功率沖擊時(shí)溫度急速上升而銅電極與管芯的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致管芯被拉裂，從而破壞了氧化物絕緣層所致。

2 分析結(jié)論

2.1 思路分析

通過(guò)以上綜合分析，并聯(lián)系失效樣品的工作電原理圖，可以認(rèn)為：T1#IGBT和D3#開(kāi)關(guān)二級(jí)管都是由于過(guò)流導(dǎo)致失效，且開(kāi)關(guān)管的失效與遭到反向大功率沖擊有關(guān)，那么我們判斷異常電流的走向應(yīng)為VCC250V電源+、T1、D3、R1、GND，電源并未通過(guò)變壓器負(fù)載（如圖 1 所示），顯然D3開(kāi)關(guān)管型開(kāi)關(guān)二級(jí)管失去了反向阻斷特性，使VCC電源沒(méi)有經(jīng)過(guò)變壓器負(fù)載而是直接對(duì)地形成了極大的短路電流，該電流導(dǎo)致T1#IGBT和D3#開(kāi)關(guān)二級(jí)管損壞失效。

圖1 失效電流回路

2.2 確定圖1中電流失效回路的產(chǎn)生

（1）T1#IGBT和D3#開(kāi)關(guān)二級(jí)管同時(shí)擊穿失效。

通常兩只器件同時(shí)出現(xiàn)擊穿電壓跌落的可能性極小，而且T1#IGBT擊穿電壓跌落甚至擊穿不會(huì)對(duì)D3#開(kāi)關(guān)二級(jí)管產(chǎn)生損害，更不會(huì)導(dǎo)致二極管擊穿短路，因此可以認(rèn)為這種兩只器件同時(shí)失效的概率極低，可以排除該失效假設(shè)。

（2）D3二極管擊穿失效。

根據(jù)工作電原理圖，如果D3擊穿電壓退化跌落甚至擊穿短路，那么電流的走向就從250V電源+、T1、D3、R1到GND，電源不通過(guò)變壓器負(fù)載，形成電源對(duì)地大電流，在該電路回路中的所有器件都是受損對(duì)象，依照短板效應(yīng)：“誰(shuí)最弱就先燒誰(shuí)?！盩1位的IGBT器件處于該大電流回路中，過(guò)流燒毀失效與D3位的開(kāi)關(guān)二級(jí)管擊穿電壓退化跌落或擊穿短路失效具有因果關(guān)系，因此可以認(rèn)為該次失效模式是由于D3開(kāi)關(guān)管型開(kāi)關(guān)二級(jí)管擊穿失效引起。

2.3 二級(jí)管擊穿失效的原因分析

D3開(kāi)關(guān)管型開(kāi)關(guān)二級(jí)管擊穿失效大概存在兩種可能性：

（1）正常的工作電源VCC（250V）電壓出現(xiàn)了升高異常，其升高的電壓超過(guò)了開(kāi)關(guān)管的反向耐壓電壓，使器件從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，從而產(chǎn)生大電流燒毀器件；

（2）該只開(kāi)關(guān)二極管電參數(shù)發(fā)生退化，反向耐壓參數(shù)退化降低，當(dāng)?shù)陀诠ぷ麟娫措妷?50V時(shí)，器件從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，從而產(chǎn)生大電流燒毀器件。

通過(guò)分析我們認(rèn)為：因?yàn)槎O管D1具有續(xù)流箝位作用，所以可以排除D3二極管的擊穿是由于變壓器感生電動(dòng)勢(shì)升高導(dǎo)致的可能性。開(kāi)關(guān)管型開(kāi)關(guān)二極管擊穿電壓參數(shù)退化應(yīng)該是該次失效的主要原因。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以認(rèn)為H電路中IGBT和開(kāi)關(guān)二極管同時(shí)失效的主要原因是由于開(kāi)關(guān)管器件失效引起，屬主要矛盾，由于開(kāi)關(guān)管器件失效引起T1位的IGBT過(guò)流燒毀，所以T1位IGBT失效為被動(dòng)失效，是次要矛盾。

TN722

A

1004-7344（2016）23-0331-01

2016-7-21