二级管与开关管在H形电路中的失效关系

2016-08-16袁锟

大科技 2016年23期

关键词：管芯焊料过流

袁锟

（中国振华集团永光电子有限公司贵州贵阳 550018）

二级管与开关管在H形电路中的失效关系

袁锟

（中国振华集团永光电子有限公司贵州贵阳 550018）

H形电路是电路设计师广泛采用的一种电路设计模式，在H形电路中开关管与二极管同时失效是其最典型的失效模式，本文主要介绍了该种失效的原因及原理。

简介

故障现象为T1#（IGBT）与D3#（开关二极管）同时失效。

器件失效情况判断：

（1）首先使用方排除了接反或器件自身反级导致电路失效的可能性。

（2）产品替换后电路恢复正常工作，排除电路中其他器件影响导致这两只产品的失效。

（3）是否器件选型耐压余量不足导致器件击穿失效，两只失效产品的电性能参数：IGBT的VCE≥600V；二极管管的VRRM≥600V。标称反向耐压值降额系数达0.42，其耐压余量完全可以保证电源电压波动不会导致器件被击穿。

1 机理分析

1.1 外观检查

在20倍光学显微镜无异常。

1.2 X-RAY内部透视

透视观察发现管芯位置处存在黑色异常点将电极两端连接起来，该异常点可能是管芯两端的焊料流出跨过管芯台面连接或管芯承受过功率冲击导致管芯内部烧毁密度改变。

IGBT透视未见异常。

1.3 曲线扫描呈短路状态

1.4 解剖分析

1.4.1 二极管解剖分析

去除二极管表面材料后。通过高倍显微镜观察，发现键合用焊料二次熔化，熔化的焊料横跨过管芯台面连到两端电极上。

分析溢料成分 Cu（44.2％）、Pb（44.2％）、Sn（8.4％）、Ag（3.2％）。Cu 元素是失效样品的铜钉头带来的，焊料成分为PbSnAg，受设备影响，无法精确检测出焊料中各元素的含量比例，也就无法判断出其焊料的熔化温度，但一般焊料熔化温度要保证在230℃以上，因此我们判断器件曾经遭到大功率冲击，其失效是由于发热量过大导致管芯与电极焊接处的焊料二次熔化，熔化的焊料跨过管芯台面将电极两端短路。

1.4.2 IGBT解剖分析

去掉IGBT表面塑封体，发现产品在发射极上以一颗较粗的铝丝作为E级内引线，以一颗较细的铝丝作为G级内引线，管芯尺寸4.0mm×3.2mm，通过高倍显微镜观察，在E级表面观察到过热击穿点同时在过热击穿位置发现塑封料碳化现象，我们认为热击穿点和塑封料碳化是因为失效产品曾经发生过过流，过流产生了高温在管芯表面形成了热击穿点并将热击穿点周围的塑封料碳化，该热击穿点会引起器件CE级短路，进一步观察该热击穿点未观察到热击穿点向E级引脚根部移动的现象和熔坑，判断该异常虽存在过流、过功率但持续时间不长。但E极的热击穿点并不会导致失效样品的GE和GC极短路（在前面的“2.3特性曲线测试”中曾检测到样品的GE和GC极短路），为找到失效样品GE和GC极短路的原因，我们进一步仔细观察失效样品的管芯表面在管芯的G级上靠管芯边缘处发现一条细微的裂缝，该裂缝是导致器件的GC和GE级短路的原因，我们分析该裂缝产生的原因是由于管芯承受大功率冲击时温度急速上升而铜电极与管芯的热膨胀系数不匹配导致管芯被拉裂，从而破坏了氧化物绝缘层所致。

2 分析结论

2.1 思路分析

通过以上综合分析，并联系失效样品的工作电原理图，可以认为：T1#IGBT和D3#开关二级管都是由于过流导致失效，且开关管的失效与遭到反向大功率冲击有关，那么我们判断异常电流的走向应为VCC250V电源+、T1、D3、R1、GND，电源并未通过变压器负载（如图 1 所示），显然D3开关管型开关二级管失去了反向阻断特性，使VCC电源没有经过变压器负载而是直接对地形成了极大的短路电流，该电流导致T1#IGBT和D3#开关二级管损坏失效。

图1 失效电流回路

2.2 确定图1中电流失效回路的产生

（1）T1#IGBT和D3#开关二级管同时击穿失效。

通常两只器件同时出现击穿电压跌落的可能性极小，而且T1#IGBT击穿电压跌落甚至击穿不会对D3#开关二级管产生损害，更不会导致二极管击穿短路，因此可以认为这种两只器件同时失效的概率极低，可以排除该失效假设。

（2）D3二极管击穿失效。

根据工作电原理图，如果D3击穿电压退化跌落甚至击穿短路，那么电流的走向就从250V电源+、T1、D3、R1到GND，电源不通过变压器负载，形成电源对地大电流，在该电路回路中的所有器件都是受损对象，依照短板效应：“谁最弱就先烧谁。”T1位的IGBT器件处于该大电流回路中，过流烧毁失效与D3位的开关二级管击穿电压退化跌落或击穿短路失效具有因果关系，因此可以认为该次失效模式是由于D3开关管型开关二级管击穿失效引起。

2.3 二级管击穿失效的原因分析

D3开关管型开关二级管击穿失效大概存在两种可能性：

（1）正常的工作电源VCC（250V）电压出现了升高异常，其升高的电压超过了开关管的反向耐压电压，使器件从高阻态转变为低阻态，从而产生大电流烧毁器件；

（2）该只开关二极管电参数发生退化，反向耐压参数退化降低，当低于工作电源电压250V时，器件从高阻态转变为低阻态，从而产生大电流烧毁器件。

通过分析我们认为：因为二极管D1具有续流箝位作用，所以可以排除D3二极管的击穿是由于变压器感生电动势升高导致的可能性。开关管型开关二极管击穿电压参数退化应该是该次失效的主要原因。