空调整流桥的工作可靠性研究

解伟 赵冰清 李文涛 王小龙 王海波

摘 要：针对家电用整流桥在生产过程及用户使用一段时间后出现短路失效的问题，本文从整流桥失效机理、器件选型设计、结构工艺设计、生产过程管控、检测方式可靠性等方面进行分析。通过对器件的EOS模拟、X光解析、开封观察、空调整机波形测试、不良现象复现等手段，找出整流桥晶圆本身存在的缺陷，并从器件本身质量提升着手，结合检测方式的创新与完善，对整流桥可靠性进行全面系统的提升。

关键词：整流桥;EOS;晶圆缺陷;高温反偏

中图分类号：TM461文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）32-0038-03

Study on Working Reliability of Air-conditioning Rectifier Bridge

——Take 15A/800V Rectifier Bridge of Factory A as An Example

XIE Wei ZHAO Bingqing LI Wentao WANG Xiaolong WANG Haibo

（Gree Electric Appliances （Zhengzhou） Co.， Ltd.，Zhenghou Henan 450001）

Abstract： In view of the short-circuit failure of rectifier bridge used in household appliances during the production process and after a period of use by users， this paper analysed the failure mechanism of rectifier bridge， device selection design， structural process design， production process control， reliability of detection methods and so on. By means of EOS simulation， X-ray analysis， open-package observation， waveform test of air-conditioner， and bad phenomena recurrence， the defects of rectifier bridge wafer itself were found out， and the reliability of rectifier bridge was improved comprehensively and systematically by improving the quality of the device itself and combining with the innovation and perfection of detection methods.

Keywords： rectifier bridge;EOS;wafer defect;high temperature reverse bias

整流桥作为一种功率器件，是电源电路的基本组成部分。整流桥内部主要是由四个二极管组成的桥路来实现把输入的交流电转化为输出的直流电。而空调外机用的整流桥需要直接承受母线电压，对整流桥的可靠性、一致性及自身功率要求相对较高。2018年，家用A厂家15A/800V整流橋在售后失效非常突出（内部晶圆击穿失效），属典型的整流桥自身质量缺陷。本文主要对这一事件进行详细分析。

1 事件背景

家用空调引入A厂家15A/800V规格整流桥后，在生产过程及售后实际工作可靠性方面表现不佳，售后失效尤为突出。由于器件供应商和生产批次集中，初步锁定为整流桥质量缺陷导致，该批次失效数占整流桥售后失效总数的76%以上。

2 失效原因及失效机理分析

家用空调使用A厂家整流桥在售后出现批量失效，失效现象均表现为晶圆烧毁导致短路，且存在单个晶圆失效和多个晶圆同时失效的现象。此类失效可能是由过电损伤、耐压值偏低、设计余量不足和物料本身缺陷等因素造成的，因此，需要从整流桥的使用环境、设计余量和可靠性等方面进行全面分析。

2.1 失效现象

利用X光观察失效品可以发现，晶圆存在明显烧毁阴影，将样品进行化学开封后，可看到晶圆表面有烧熔后的碳化痕迹（见图1）[1]。此类失效为典型的过电烧毁，但需要进一步确定诱发过电烧毁的原因。

2.2 使用环境排查

通过对售后失效信息进行排查可知，整流桥失效的区域并不集中，用户普遍反馈空调报故障前并未出现电压波动的异常，其他生活电器没有伴随失效[2]。

同步对格力电器（郑州）有限公司生产过程下线信息进行排查，发现下线时间、生产线体和机型分布均不集中，无明显规律。同时，对测试台站的电压波形进行监控（见图2）可知，在上电瞬间和运行过程中，未发现电源尖峰毛刺或电压突变问题，测试电源运行平稳受控。因此，外部环境突变并非导致整流桥批量失效的原因。

2.3 整机设计因素排查

对空调整机在冷启动和热启动环节的波形进行监控（见图3和图4），发现整流桥在两个工作模式下承受的反向电压分别是196V和270V，远未达到整流桥反向800V的基本测试电压。因此，空调整机设计余量足够，不会达到击穿整流桥的条件。

①冷启动（VR最高196V，TR最大50μS）。

②热启动（VR最高270V，TR最大50μS）。

2.4 单体耐压一致性排查

由于下线品均集中在一个批次（7239），为了核实是否存在同批次整流桥耐压值不一致的问题，取同批次库存制品5 000pcs进行反向耐压全检（半导体测试仪，单点测试时间8ms）。经验证，在现有测试设备和测试条件情况下，同批次反向耐压极限值为1 388～1 574V（技术要求不低于800V即为合格[3]），未发现耐压值偏低的不良品。

2.5 可靠性验证

将同批次未使用的制品进行耐久性验证（HTRB高温反偏），试验条件：125℃、800V、500H，试验数量：77pcs。试验结果：当试验进行至168H时，出现1pcs整流桥短路失效（见表1），失效模式与售后故障现象一致，可确定物料本身存在质量缺陷。

2.6 内部结构解析

根据试验结果，取售后退回不良品进行3D-Xray检测，发现部分样品铜支架表面与晶圆之间存在焊料残留物，同步增加观察数量、扩大不良品的观察范围，对比其他批次正常品。结果表明，售后失效品在整流桥的不同区域均能检测到焊料残留物（见图5）。

同步对失效品的击穿点进行超景深观察，发现烧毁位置（见图6）的碳化物是沿着晶片玻璃的侧面自上而下击穿。结合在不同位置发现残留物的现象，初步确认导致异常的原因是焊料残留物在成型后被模流冲到铜支架上下极之间，导致在长期通电的情况下出现飞弧击穿引发晶圆短路失效。

3 原因分析与质量整改

3.1 生产工序异常点

整流桥成品生产工序：点胶-焊接-清洗-成型-测试。焊料残留物的产生是在焊接工序之后（点胶经过回流焊后熔化起到焊接作用），焊接完成后需要经过超声波清洗来洗掉支架表面和晶圆周围的残留物，因此初步判定是焊接和清洗工序的管控出现了问题。

3.2 失效批次的排查

由于售后失效品集中在7239批次，因此需要对该批次的生产信息进行核查。经核实，该批次的生产周期跨度为2017年9月26日至10月6日，其中10月1日至10月5日未生产。排查发现，部分料号的半成品是在节前焊接、节后成型。这种情况下，存在焊接后半成品漏清洗直接成型的隐患。

3.3 模拟验证

为了验证焊接后漏清洗是否是导致整流桥短路失效的原因，取焊接后半成品按以下四种情况进行模拟试验：①焊接后清洗+成型;②焊接后放置一周后清洗+成型;③焊接后放置一周后不清洗+成型;④焊接后不清洗+成型。

试验结果如下：焊接后漏清洗直接成型的整流桥，在168H的高温反偏试验中均复现了与售后故障现象一致的失效模式，可确认为厂家在焊接成型后漏清洗導致了此次质量事故。

3.4 改善方案

此次质量事故暴露了整流桥生产环节由于遗漏工序导致的产品可靠性降低。对于生产环节不同料段的状态，通过使用不同颜色的周转筐保证监控有效性;对于存在漏清洗的问题，将生产流程卡由纸质跟进变更为电子流程卡;同时，增加半成品和成品的放大镜全检，筛查焊料残留批次[4]。

4 结论

①空调用整流桥的功能可靠性管控，建议在保证原有晶圆选型一致性的前提下，增加对生产环节突发异常问题导致产品出现可靠性降低的隐患点的识别与管控。

②对于功率器件存在的导电杂质或异物缺陷，常规的瞬态测试方法无法有效筛查出此类不良，极易导致批质量事故。

③环境应力类试验监控方案，可全面应用于强电类功率器件的可靠性筛查，尤其是对于存在生产制造缺陷和一致性差异的产品，筛选度能达到0.99以上，供方出货检测环节和客户上线使用前均可作为可靠性评估的有效手段。

参考文献：

[1]雍静.单相不可控桥式整流滤波电路容性特性[J].电力系统自动化，2014（10）：113-119.

[2]孙海涛，管春江.励磁整流桥故障分析[J].电工技术，2011（12）：65-68.

[3]耿道波.可控硅整流桥均流问题分析及现场处理方法[J].中国设备工程，2015（12）：72-74.

[4]周玉芬，高锡俊，李建华，等.环境应力筛选加速系数[J].航空精密制造技术，2003（5）：38-40.