變頻電源開關芯片炸裂的失效分析與可靠性研究

王少輝 項永金

摘 要：隨著科技的發(fā)展，電器設備使用越來越廣泛，功能越來越強大，體積也越來越小，對電源模塊的要求不斷增加。開關電源具有效率高、成本低及體積小的特點，在電氣設備中獲得了廣泛的應用。經分析，開關電源電路多個器件失效主要是電路中高壓瓷片電容可靠性差，導致開關芯片失效。本文通過增加瓷片電容材料的厚度提高其耐壓性能和其他性能，使產品各項性能有效提高，滿足電路設計需求，減少售后失效。

關鍵詞：開關電源；高壓瓷片電容；芯片；耐壓提升；可靠性

開關電源電路憑借良好的性能得到了廣泛應用，作為開關電源電路的重要組成器件，開關芯片決定了開關電源的質量。2019年后，由于空調高端智能化、綠色節(jié)能化、友好交互化，空調機型也在不斷變化，對電源設計要求更高，電源電路設計也越來越多樣化、復雜化；電源電路主題設計也在不斷變化，以前開關電源只是用在變頻外機，使用量較少，現開關電源電路已用于生產的所有產品。隨著開關電源電路的大量使用，因開關芯片導致的售后失效也呈逐年上升趨勢，每年因開關芯片失效導致控制器失效的維修成本不斷上升。

1 事件背景

變頻空調外機開關電源SK開關芯片在售后出現多單失效，核實發(fā)現高頻變壓器[1]輸入端連接的高壓瓷片電容有多單出現炸裂，未炸裂的瓷片電容測試也有短路失效。外觀檢查發(fā)現，連接開關電源芯片1腳的3個限流電阻、瓷片電容均出現大電流燒壞的現象，如圖1所示。因變頻外機板整個開關電源電路器件燒壞，導致外機不能工作，嚴重影響產品質量及品牌形象。

鎖定開關芯片失效及電阻燒毀與高壓瓷片電容有關，經對高壓瓷片電容（型號：10 pF±5%/1 000 V）進行確認均為B廠家生產，經核實該型號電容的生產為A（國外）和B（國產）兩個廠家，分析表明，電容本身存在缺陷導致內部短路的可能性較大。

失效控制器主板集中在2018—2019年生產的機器，A、B廠家此編碼瓷片電容一直在使用，2019年總使用量差不多60多萬，B廠家售后沒有出現失效，售后瓷片電容失效全部是A廠家，分析表明，瓷片電容本身質量異常導致開關芯片失效質量異常可能性較大。

瓷片電容介質耐壓很高，一般在電路中很難擊穿失效，對正常品瓷片電容測試極限耐壓，測試50PCS全數通過3倍額定電壓3 000 V，沒有出現擊穿失效。查看近幾年復核數據，均無單獨瓷片電容故障。統(tǒng)計瓷片電容各廠家供貨情況，B廠家主要在2018年開始批量使用。各廠家使用數量見表1。

2 開關芯片的失效故障原因及失效機理分析

分析表明，開關芯片失效及電阻燒毀與為電容本身存在缺陷導致內部短路有關。開關芯片電路及開關芯片失效分析暫未發(fā)現異常，此次開關電源電路器件燒壞為B廠家瓷片電容導致。

2.1 開關芯片電路工作原理分析

開關芯片引腳功能圖，SK廠家開關芯片工作原理圖，如圖1所示。

開關芯片各引腳功能描述如表2所示。

2.2 瓷片電容的使用信息

經查，此電容使用商用、家用、出口機器（較多），包括洗衣機，電路主要與電阻并聯(lián)于開關芯片D漏極與S＼OCP過流電路保護端，搭配SK廠家開關芯片。

其他廠家開關芯片沒有搭配瓷片電容，對比SK廠家3款開關芯片外圍電路，D-S極間串聯(lián)均為10 pF瓷片電容+10 Ω貼片電阻，電路無差異。

2.3 失效主板故障現象統(tǒng)計分析

根據售后失效故障現象，主要為瓷片電容炸裂、限流電阻燒壞、開關電源芯片炸裂或燒壞[2]，分析為開關電源芯片第1腳過流信號輸入腳連接限流電阻和瓷片電容的電路有大電流進入，導致器件的損壞，且經檢查器件焊接無異常。大電流產生的可能性如表3所示。

2.4 失效故障件分析

B廠家高壓瓷片電容主要故障為炸裂，本體上有炸裂紋，同時陶瓷芯片介質已經擊穿，擊穿位置位于陶瓷中部位置，焊接沒有問題。失效圖片如圖2所示。

瓷片電容本體炸開，可以看到明顯的孔洞。產品的擊穿位置都在電容器芯片內部，而且擊穿位置燒痕明顯，材料出現明顯碳化，這是由于電容器耐壓失效時有大電流通過出現的現象，如圖3所示。

B廠家絕緣耐壓測試結果如表4所示。

3 故障失效電路設計核查及模擬分析

3.1 開關芯片應用電路圖

開關芯片電路原理如圖4所示，高壓瓷片電容 C123是和R57貼片電阻串聯(lián)形成了“RC阻容模塊”，然后和電源芯片的MOSFET D-S兩極并聯(lián)，用于改善MOSFET在高速開關時的EMC性能。

用示波器檢測控制器通電時高壓瓷片電容兩端電壓，該高壓瓷片電容兩端正常工作電壓在405 V左右，當壓縮機升頻到70 Hz時，電壓最高在502 V左右，遠低于1 000 V工作電壓，如圖5所示。

經模擬驗證，將B廠家高壓瓷片電容兩端直接短路，并通電測試，出現開關電源芯片炸裂和限流電阻燒壞的情況，分析開關芯片失效與高壓瓷片電容質量有關，如圖6所示。

為模擬高壓瓷片電容漏電的情況，在高壓瓷片電容兩端分別并聯(lián)151 kΩ、94 kΩ、47 kΩ、26 kΩ、2.5 kΩ五種電阻進行通電驗證，發(fā)現47 kΩ電阻在壓縮機頻率達到70 Hz后，運行2 min出現電阻表面燒壞發(fā)黑的情況，2.5 kΩ電阻在壓縮機達到70 Hz頻率后，就出現電阻燒壞的情況，如圖7所示，同時限流電流也燒壞，與售后故障相似，但開關電源芯片已保護，并未出現損壞。即是在限流電阻承受大電流緩慢燒壞的過程中，開關電源芯片都能夠及時保護，進一步證明售后故障現象應該是瞬間高壓沖擊短路產生大電流導致。

對電路工作原理的分析以及結合模擬驗證的情況，鎖定原因為高壓瓷片電容先短路后，使直流電路P點電流經過，并導致限流電阻燒壞、開關電源芯片炸裂。

4 同規(guī)格A、B廠家電容性能對比分析

4.1 A與B廠家瓷片電容對比分析

對2個廠家瓷片電容進行對比分析，除本體尺寸外，其他無明顯差異，見表5。B廠家的陶瓷芯片比A廠家薄0.5 mm，但直徑大0.9 mm。在此種情況下容易因生產過程受力導致裂紋，引起耐壓不足，B廠家芯片厚度為0.3 mm，A廠家芯片厚度為0.8 mm；其余極限耐壓、焊接質量等無異常。

瓷片電容生產過程原理如圖8所示。

4.2 瓷片電容極限耐壓測試

1）驗證采用50 V的獨石電容，沒能擊穿復現故障，單獨測試獨石電容的極限耐壓可以達到1.3 kV左右（測試阻抗只有20 kΩ左右），遠超該電路上的電壓（極限500 V左右）；

2）對B和A廠家的瓷片電容進行測試，其中B廠家出現4 pcs擊穿的情況，單獨擊穿電容測試絕緣電阻只有100 kΩ級。

5 瓷片電容失效的解決方案

B廠家電容器屬于NPO溫度特性的電容器，電容器的芯片尺寸為：芯片厚度0.3 mm，芯片直徑5 mm；正常情況下電容器成品破壞電壓為6 kV左右。但是該電容器芯片使用的是國產材料，受限于國產材料純度不高、均勻性不好、工藝參數波動較大等因素，導致國產電容器芯片余量范圍不穩(wěn)定，可靠性存在一定隱患。該規(guī)格的國產NPO材質的芯片耐壓范圍在（3～6）kV，進口（A廠家）NPO材質芯片耐壓范圍在（5～6）kV，進口芯片的質量穩(wěn)定性和一致性較好。國產芯片要想達到進口芯片相同的質量，就必須增大安全系數，加大芯片的尺寸，增加芯片厚度將減少芯片結構性缺陷，提升芯片的耐壓等級和質量穩(wěn)定性。增加尺寸后，電容器耐壓范圍可以提升到（5～8）kV，可有效提升電容器耐壓性能和可靠性。

1）提升瓷片電容耐壓國產瓷片電容極限耐壓在（3～5）kV，提升達到（5～6）kV。

2）瓷片電容尺寸整改

分析發(fā)現B廠家的電容芯片相對較薄且面積大，在制程中較容易產生受損裂紋缺陷，導致耐壓能力降低甚至擊穿，增大瓷片電容尺寸。

3）整改后制品性能對比

新制品規(guī)格書確認電容芯片厚度已更改，電容極限耐壓提升到（5～6）kV，且各項性能顯著提升。分析測試表明，新制品能達到額定電壓2 kV，極限電壓達到（10～12）kV，性能測試數據對比A廠家無差異。新制品性能測試數據如表6所示。

6 失效整改總結及意義

通過產品實際應用過程中的問題反饋，本文從開關芯片的失效機理、失效因素、應用電路、器件可靠性等多方面進行分析，對瓷片電容單體物料各項性能進行優(yōu)化，顯著提高MOSFET在高速開關時的EMC性能。為了保證開關電源電路的可靠性，通過提高瓷片電容的極限耐壓及各項性能參數，解決了器件在實際應用中可靠性的問題，經過實際應用取得顯著效果。

參考文獻：

[1] 郗亮.高頻變壓器發(fā)展的研究[J].通信電源技術，2018（03）：237-238.

[2] 黃永俊，張居敏，胡月來.開關電源可靠性的設計[J].農機化研究， 2005（02）：147-148.