艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司 陳 嵐
E公司M產(chǎn)品MOS管失效分析
艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司 陳 嵐
【摘要】本文研究的是E公司M產(chǎn)品MOS管失效分析, 尋找關(guān)鍵失效因子對產(chǎn)品失效進行分析,準確、高效的定位產(chǎn)品失效的具體原因并給出解決措施,同時通過失效分析經(jīng)驗積累,為E公司建立應(yīng)用預(yù)期失效分析消除產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)潛在失效的方法。
【關(guān)鍵詞】E公司;失效;MOS管;炸機
1.1 選題背景
21世紀是電子信息技術(shù)時代,電子產(chǎn)品的可靠性是該技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此產(chǎn)品失效分析技術(shù)成為產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵。探尋產(chǎn)品準確、高效的分析方法及手段顯得尤為重要。
1.2 研究的問題
分析M產(chǎn)品在中試驗正時出現(xiàn)MOS管失效炸機的原因并制定解決措施,同時制定預(yù)防失效方案。
產(chǎn)品失效分析中分析思路非常重要,清晰的分析思路是失效分析準確、高效找到失效原因的關(guān)鍵。常用的電子產(chǎn)品失效分析思路有:①確定失效的偶然性及一般性;②明確失效分析的最終目的;③從失效現(xiàn)象入手,羅列失效位置的所有疑點;④列出所有可能引起失效部位現(xiàn)象的因子;⑤分析失效因子,找出可能引起失效的關(guān)鍵因子;⑥驗證關(guān)鍵因子;⑦得出失效分析結(jié)并制定預(yù)防失效措施[1]。
預(yù)期失效分析方法通過進化理論選擇產(chǎn)品進化路線、預(yù)測失效及消除失效三個步驟 ,得出未來產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)期望的解[2]。
3.1 問題描述
M產(chǎn)品在試驗時發(fā)現(xiàn)有2個產(chǎn)品在常溫某一特定電壓輸入、輸出時出現(xiàn)炸機(即MOS管燒毀)現(xiàn)象。具體現(xiàn)象是MOS管開裂,具體情況如下:
現(xiàn)象一:開裂的MOS管,芯片的G極燒成熔坑,S極鍵合處已燒穿,器件背部的散熱片有個洞;芯片有較大面積的燒毀,燒毀處已嚴重碎裂,S極和G極PCB 導線均熔斷。
現(xiàn)象二:外殼完好的MOS管,三個極間均短路;芯片有多處裂紋,G極和S極鍵合處良好,PCB S極引線周圍有局部過熱痕跡,沒有明顯過流現(xiàn)象。
3.2 問題分析
初步分析是器件局部過熱燒毀,短路后流過較大的短路電流,使S極和G極燒成融坑或孔洞。造成MOS管局部過熱的主要因子有:
(1)長時間過載;(2)散熱不良;(3)d-s雪崩擊穿后瞬時功耗較大;(4)驅(qū)動異常。
農(nóng)墾經(jīng)濟保持穩(wěn)步增長態(tài)勢。預(yù)計2018年農(nóng)墾生產(chǎn)總值8181.68億元,較上年增加268.06億元,增長3.39%。糧食和重要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量穩(wěn)步增長,預(yù)計2018年糧食、棉花、糖料、天然橡膠產(chǎn)量分別達到3639.47萬噸、219.16萬噸、779.61萬噸、35.33萬噸,分別較上年增加123.98萬噸、46.38萬噸、20.21萬噸、6.23萬噸,分別增長3.53%、26.84%、2.66%、21.41%。
根據(jù)出現(xiàn)炸機模塊的信息分析炸機出現(xiàn)在同一批次的MOS管,故將重點放在低壓帶載起機動態(tài)過程中兩種MOS管的差異,經(jīng)過對比兩種MOS管資料發(fā)現(xiàn),A管的熱阻比B管的大30%,導通關(guān)斷時間大一個數(shù)量級,這樣會導致A管的開關(guān)損耗比B管的大,且熱阻大。M產(chǎn)品在低壓重載起機時,會有比較長(1s左右)的一段過壓過程,所以初步分析可能是起機過程中,A管因為損耗大,熱阻大,其結(jié)溫會比B管的大不少,最后導致炸機。因此M產(chǎn)品失效分析的關(guān)鍵因子是(2)散熱不良。
3.3 分析驗證
為了驗證上述分析,需要確認A、B管子開關(guān)損耗究竟相差多少,為此,測量了兩個管子在相同的開通、關(guān)斷電流下的損耗對比如表1-1所示。
部分典型對比波形如圖1-1所示。
圖1-1注:(1)圖中因為電流是用V表示,所以能量單位uV2s應(yīng)該是uVAs,即uJ;(2)將開通關(guān)斷能量除開關(guān)周期10us就是開關(guān)損耗,如91.89uJ/10us=9.189w。
表1-1
從圖1-1可以得到如下結(jié)論:
1)兩種管子開通時間及損耗基本相當;
A 管的關(guān)斷損耗遠大于B管;相同關(guān)斷電流情況下穩(wěn)態(tài)8.91w 對1.7w,即穩(wěn)態(tài)時A管的關(guān)斷損耗為B管的5.24倍;動態(tài)17.32w對5.49w,即穩(wěn)態(tài)時A 管的關(guān)斷損耗為B管的3.15倍。從以上驗證只能得出大概的結(jié)論,即MOS管炸機的主要因子是散熱不良引起的,這一點充分驗證了起初的分析,但是ST MOS管工頻周期內(nèi)開關(guān)損耗、導通損耗究竟是多少,引起的溫升又是多少沒有定量的數(shù)據(jù)。
為此,在特定的輸入、輸出下,考慮將工頻周期的pi/2分成12段,測量每段中一個點的開關(guān)損耗,然后處理得到一個工頻周期內(nèi)的大致開關(guān)損耗。
結(jié)合測試數(shù)據(jù)及計算書算出的導通損耗7.703w,可以得到此狀態(tài)下的總損耗如下:Pi/2內(nèi)開通消耗能量(mJ):11.208;Pi/2內(nèi)關(guān)斷消耗能量(mJ):12.022;工頻周期內(nèi)開通損耗(w):4.483;工頻周期內(nèi)關(guān)斷損耗(w):4.809;工頻周期內(nèi)開關(guān)損耗(w):9.292;工頻周期導通損耗(w):7.703;工頻周期總損耗(w):16.995
A MOS管結(jié)殼熱阻為0.83,所以結(jié)殼溫升為16.995*0.83=14.1度。重新測試了A 管子在特定輸入、輸出下,動態(tài)及穩(wěn)態(tài)溫升,結(jié)果發(fā)現(xiàn)管子最大殼溫95度,那么此時的結(jié)溫為95+14.1=109.1度,滿足產(chǎn)品元器件降額設(shè)計要求,那為什么還會炸機呢?
帶著上述疑問測試B管殼溫,最后竟然發(fā)現(xiàn)B管的殼溫最高可以達到120度,比A管殼溫高很多,根據(jù)A、B管的相關(guān)參數(shù),理論上A管殼溫比B管高才是正確的,在相同的電路設(shè)計及測試方式下,實際測試結(jié)果與理論相反,對比兩個產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)MOS管的裝配工藝不同,B管與散熱片之間使用的是粘接工藝,A管與散熱片之間使用的是陶瓷基片,這么大的溫差會不會和管子的裝配工藝有關(guān)?根據(jù)以前新工藝驗證方案及結(jié)論,獲得粘接工藝和陶瓷基片的溫升對比結(jié)論是粘接工藝比陶瓷基片工藝殼溫只高3度左右,如果新工藝驗證方案及結(jié)論正確那么就不可能出現(xiàn)此現(xiàn)象。為了再次驗證裝配工藝差異,A管重新用兩種工藝裝配產(chǎn)品,經(jīng)過常溫同樣工作條件下的溫度對比發(fā)現(xiàn)使用粘接工藝的產(chǎn)品,在相同的輸入、輸出狀態(tài)下,工作幾分鐘后炸機。其它4個A管使用粘接工藝的模塊在相同輸入、半載輸出時都出現(xiàn)了炸機,從測試數(shù)據(jù)可以看出粘接工藝的管子殼溫無論那種工作狀態(tài),都明顯大于陶瓷基片的管子,兩者最大溫差42度。為排除粘接工藝的個體差異,又測了不同工藝下7個管子的溫升數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)使用粘接工藝的管子殼溫遠大于使用陶瓷基片的管子的殼溫,與以前新工藝研究中測的3度溫差不符。
在目前粘接工藝下重新校合管子結(jié)溫如下:123+14.1=137.1度,超過降額規(guī)范。而后來試驗又證明,如果溫度探頭不放在管子背風凹處,放在背風靠近鐵殼處殼溫會大7度左右,這樣再校合結(jié)溫為123+14.1+7=144.1度,遠超降額要求,接近管子最高結(jié)溫150度,所以炸機風險很大。因此我們認為M產(chǎn)品出現(xiàn)炸機的最主要原因是散熱器粘接工藝出現(xiàn)問題,導致散熱片散熱不良。
基于上面的試驗,我們得到M產(chǎn)品炸機的原因為:M產(chǎn)品散熱片粘接工藝出現(xiàn)問題,導致管子散熱不良,而A管的關(guān)斷損耗、熱阻都比B管的大,使得結(jié)溫過高,管子熱積累后失效導致炸機。因此E公司MOS管的裝配暫時使用陶瓷基片,粘結(jié)工藝需要重新研究驗證,在可以控制相關(guān)參數(shù)的情況下再投入使用,同時建立粘結(jié)工藝預(yù)期失效分析方案,并分析評審已經(jīng)使用此工藝的所有產(chǎn)品,消除產(chǎn)品潛在失效的可能性。
參考文獻
[1]廖東.淺析電子元器件的失效分析技術(shù)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2015,12.
[2]薛來,李彥,李文強,熊艷.實效預(yù)測在產(chǎn)品直接進化理論中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與研究,2010,26(2).
作者簡介:
陳嵐(1976—),女,甘肅通渭人,碩士,現(xiàn)供職于艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司,研究方向:電源、項目管理。