POWER开关电源芯片应用静电损伤失效可靠性研究与提升

作者 项永金 崔斌 王奎 陈明轩 戴银燕 格力电器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230000)

　　项永金(1984年1月)，男，大专，质量主管，主要从事电子元器件失效分析研究，芯片、半导体、功率器件失效分析研究及可靠性研究提升工作。

摘要：商用多联机变频空调用控制器在实际应用一段时间后出现主板失效问题， 数据统计分析及实际主板复核分析是开关电源电路中开关芯片失效 ，芯片损伤点集中在弱电控制脚受损失效，问题长期存在没有得到有效解决方案，本文从器件应用、开关电源电路静电放电设计、 PCB走线设计进行全面验证分析，最终确定是电路PCB走线设计存在缺陷，通过优化电路PCB走线设计有效解决问题。

0 引言

　　随着电子技术发展，集成芯片IC得到广泛应用，开关电源芯片经过多年发展已经很高集成度，其中POWER集成式开关芯片集成度高，低功耗，大容量设计、体积小、可靠性高在家电控制器开关电源电路得到大量应用 。

　　开关电源作为新型高效电源在家电控制系统承担核心作用，一旦发生故障，将导致空调功能失效，严重时可能导致主板爆板，空调整机烧毁，造成严重的安全事故。因此研究开关电源电路整体设计及工作可靠性 ，提高消费者对品牌的满意度具有十分重要的意义。

1 事件背景

　　商用变频空调控制系统用控制器在实际应用一段时间后出现主板失效问题，经过大量数据统计分析及实际主板失效分析确定是开关电源电路中的开关芯片失效导致，经过统计空调实际应用维修数据，因开关芯片过电失效导致售后投诉单数达近百单，占整个控制器售后故障率2.9%,控制器售后大比例失效严重影响空调整体产品质量及用户实际体验效果。问题急需进行分析研究解决。

2 芯片失效原因及失效机理分析

　　2.1 主板电源芯片失效外貌

　　电源芯片应用主板处有32款，统计应用失效数据显示售后POWER开关电源芯片失效主要集中两款主板，主板30226000004 、30226000045，30226000004失效集中在弱电侧3脚，强电侧没有出现明显失效，MOS管耐压测试正常，器件本体没有可见的过电损伤现象，主板30226000045失效3单表面均可以看到芯片表面有明显的过电烧毁现象，同步烧毁还有R C电路对应的玻璃釉膜电阻及贴片电阻。分析是漏极过电冲击失效。

　　2.2 失效芯片阻值特性检测分析

　　售后复核出现大量的开关电源不工作，经过分析检测是开关电源芯片失效，选取售后退回11单失效主板进行芯片失效检测分析，通过对器件失效点进行检测分析汇总发现芯片失效集中3脚短路失效突出。主板30226000004等静音风管机主板开关芯片集中在3脚短路失效突出(检测数据如下表1)，而30226000045等22匹多联机主板失效多表现为本体有明显过电击穿点，检测对应漏极受损或是短路。失效模式有所不同。

　　科汇开关芯片应用不同主板信息及核心参数对比分析

　　主板电源芯片应用电路关键参数对比如表2。

　　2.3 磁饱和分析

　　开关电源设计考虑是整个系统设计，非单个器件。出现开关电源芯片失效是否是电路设计存在问题，是否是出现磁饱和。开关电源磁饱和与电路中相关器件配合等有直接关系，开关电源芯片、高频变压器、输入电源、应用环境等都是影响开关电源可靠性关键问题。开关芯片失效是否与磁饱和有关，一般磁饱和会导致芯片漏极产生瞬间过压冲击从而击穿芯片，主要表现为芯片表面烧毁及炸裂，本次出现的失效模式与此有所不同，针对产生疑问进行分析验证。

　　2.3.1 30226000004主板漏极波形测试(磁饱和测试分析)

　　30226000004主板过载测试漏极瞬间开通电流峰值，通电50次测试最大电流峰值1.8 A。稳定后平均电流值约900mA，通电50次测试平均电流值在800-1.2 A。测试波形如下图2。

　　分析结果：经过对失效主板进行整机分析验证及过载波形分析测试确定电源芯片失效非磁饱和问题导致。实际开关电源漏极耐压设计余量充足。整体测试开通瞬间漏极峰值电流小于设计值60%。

　　2.3.2 芯片ESD测试分析

　　POWER电源芯片应用主板总32款，弱电侧失效集中在商用静音风管多联机主板，经过对芯片弱电脚进行ESD测试确定芯片ESD极限水平均超过10kV ，综合评估非芯片ESD等级低，开关电源设计针对次级输出静电或是过电设计有专用的放电通道，并对电路设计做规范要求。是否是电路设计走线问题，针对问题展开分析验证。

　　经过对芯片进行开封解析，芯片晶圆表面实际没有明显过电烧毁点，部分有微小的失效点，类似ESD瞬间冲击失效，企标要求主板整机静电放电承受水平达到1kV，是否是主板PCB走线设计存在问题产生瞬间放电导致，安排对主板进行整机静电测试模拟验证，在测试模拟过程中，当施加电压达到12kV，15kV主板某位置出现瞬间闪光放电现象(放电图片如图3)，出现概率很低，查看闪光点在开关电源反馈电路位置。通过主板整机静电方案实验验证初步分析该板存在layout设计问题。

　　2.3.3 开关电源整机静电设计放电通道分析

　　主板进行ESD测线出现瞬间放电现象，测试结果不符合主板整机ESD设计要求标准，针对开关电源整体ESD设计有专门放电通道，一般家电类开关电源次级输出放电通道主要是有两种路径，初次级直接通过放电齿设计也可以是Y电容进行跨接初次级进行放电，高频变压器初次级耦合路径放电，一般家用电器使用开关电源对于整机静电放电设计主要从两个方面。具体放电设计走线如下。

　　静电放电路径1：在后级电路引入静电等高能量的冲击，电荷释放路径1 是通过跨接初次级之间安规电容，将电荷直接通过初级电解电容释放。放电路径及设计走线如下图4。

　　静电放电路径2：在后级电路引入静电等高能量的冲击，电荷释放路径2 是通过高频变压器初次级耦合路径传输。放电路径及设计走线如下图5。

　　2.3.4 主板整机ESD测试出现放电现象及回路分析

　　按企标主板整机ESD测试方案对主板进行ESD测试并对数据进行统计发现在主板ESD测试静电水平达到15000 V，会出现一定概率的放电现象，放电点经过确认是开关电源次级输出给开关芯片供电电路片状电阻R100对反馈电路片状电容C79进行瞬间放电，如下图6所示。

　　通过查阅开关电源设计资料，针对开关电源静电放电设计主要从两个方面解决电荷释放。失效主板静电设计路径1使用是Y电容跨接初次级接初级电解电容。失效主板设计及走线符合设计无异常。放电路径2走线设计进行分析确定失效主板走线设计如下，模拟出现瞬间放电 丝印位置是片状电阻R100对片状电容C79进行瞬间放电，片状电容C79正是连接到开关芯片3脚信号反馈口，经过对比其他开关电源PCB设计走线及PCB设计规范发现R100对C79走线设计存在问题，走线间隙过小，一旦次级引入能量达到一定等级击穿空气直接对片状电容C79(即电源芯片3脚)进行放电，芯片口因为静电损伤导致无法正常工作，失效 是该位置电路静电瞬间放电导致。经过模拟整机ESD测试记录大量数据出现一单芯片受损现象，与售后失效模式相同。

　　设计缺陷点1：查看开关电源PCB设计走线及PCB设计规范发现R100对C79走线设计存在问题，走线间隙过小。存在瞬间击穿空气放电隐患。放电点如下图7标示位置。实际验证确定该问题存在，会出现芯片击穿失效。

　　设计缺陷点2：次级绕组耦合回路地是连接到电源芯片地再接到初级电解电容地，存在损伤芯片隐患。最好静电释放通道是次级耦合回路直接连接初级输入电解电容地，而非通过电源芯片地后再到初级输入电解电容地。即最好设计是如下9红色虚线走线设计。

　　2.3.5 分析总结

　　商用静音多联机主板在售后出现大比例失效分析是开关电源芯片失效导致，经过对芯片失效分析及电路设计走线等分析确定失效主板PCB走线设计存在缺陷，在生产过程中存在开关电源输出端引入静电是会通过高频变压器静电传输耦合路径2进行放电，PCB走线设计存在缺陷 R100对C79走线设计间隙过小，一旦次级引入能量达到一定等级击穿空气直接对电源芯片3脚进行放电，芯片口因为静电损伤导致无法正常工作。通过优化电路走线设计彻底有效隔离次级回路与反馈电路之间的电气间隙，有效解决问题。

3 开关芯片失效整改措施

　　3.1 开关芯片失效解决方案

4 整改效果评估及应用效果验证

　　通过对优化开关电源电路PCB走线设计后主板进行整机ESD测试，目前主板ESD水平在18kV，部分达到20kV，没有再出现放电现象，评估整改方案有效。

5 开关芯片失效整改总结及意义

　　本次售后大批出现开关芯片失效属于开关电源电路PCB走线设计缺陷，在电路设计开发时未能有效解决开关电源静电放电设计，走线设计存在缺陷评估不充分导致实际应用出现失效，通过优化电路走线设计并经过实际试验验证确定可以有效解决问题。

　　参考文献：

　　[1] 邵连合. 直流开关稳压电源的设计 [J]. 轻工科技 . 2014-03

　　[2] 姬海宁. 高频开关电源变压器的优化设计及其应用 [J]. 电子科技大学. 2003-01-01

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第11期第68页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。