空調(diào)整流橋的工作可靠性研究

解偉 趙冰清 李文濤 王小龍 王海波

摘 要：針對家電用整流橋在生產(chǎn)過程及用戶使用一段時間后出現(xiàn)短路失效的問題，本文從整流橋失效機(jī)理、器件選型設(shè)計、結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計、生產(chǎn)過程管控、檢測方式可靠性等方面進(jìn)行分析。通過對器件的EOS模擬、X光解析、開封觀察、空調(diào)整機(jī)波形測試、不良現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)等手段，找出整流橋晶圓本身存在的缺陷，并從器件本身質(zhì)量提升著手，結(jié)合檢測方式的創(chuàng)新與完善，對整流橋可靠性進(jìn)行全面系統(tǒng)的提升。

關(guān)鍵詞：整流橋;EOS;晶圓缺陷;高溫反偏

中圖分類號：TM461文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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

整流橋作為一種功率器件，是電源電路的基本組成部分。整流橋內(nèi)部主要是由四個二極管組成的橋路來實現(xiàn)把輸入的交流電轉(zhuǎn)化為輸出的直流電。而空調(diào)外機(jī)用的整流橋需要直接承受母線電壓，對整流橋的可靠性、一致性及自身功率要求相對較高。2018年，家用A廠家15A/800V整流橋在售后失效非常突出（內(nèi)部晶圓擊穿失效），屬典型的整流橋自身質(zhì)量缺陷。本文主要對這一事件進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 事件背景

家用空調(diào)引入A廠家15A/800V規(guī)格整流橋后，在生產(chǎn)過程及售后實際工作可靠性方面表現(xiàn)不佳，售后失效尤為突出。由于器件供應(yīng)商和生產(chǎn)批次集中，初步鎖定為整流橋質(zhì)量缺陷導(dǎo)致，該批次失效數(shù)占整流橋售后失效總數(shù)的76%以上。

2 失效原因及失效機(jī)理分析

家用空調(diào)使用A廠家整流橋在售后出現(xiàn)批量失效，失效現(xiàn)象均表現(xiàn)為晶圓燒毀導(dǎo)致短路，且存在單個晶圓失效和多個晶圓同時失效的現(xiàn)象。此類失效可能是由過電損傷、耐壓值偏低、設(shè)計余量不足和物料本身缺陷等因素造成的，因此，需要從整流橋的使用環(huán)境、設(shè)計余量和可靠性等方面進(jìn)行全面分析。

2.1 失效現(xiàn)象

利用X光觀察失效品可以發(fā)現(xiàn)，晶圓存在明顯燒毀陰影，將樣品進(jìn)行化學(xué)開封后，可看到晶圓表面有燒熔后的碳化痕跡（見圖1）[1]。此類失效為典型的過電燒毀，但需要進(jìn)一步確定誘發(fā)過電燒毀的原因。

2.2 使用環(huán)境排查

通過對售后失效信息進(jìn)行排查可知，整流橋失效的區(qū)域并不集中，用戶普遍反饋空調(diào)報故障前并未出現(xiàn)電壓波動的異常，其他生活電器沒有伴隨失效[2]。

同步對格力電器（鄭州）有限公司生產(chǎn)過程下線信息進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)下線時間、生產(chǎn)線體和機(jī)型分布均不集中，無明顯規(guī)律。同時，對測試臺站的電壓波形進(jìn)行監(jiān)控（見圖2）可知，在上電瞬間和運行過程中，未發(fā)現(xiàn)電源尖峰毛刺或電壓突變問題，測試電源運行平穩(wěn)受控。因此，外部環(huán)境突變并非導(dǎo)致整流橋批量失效的原因。

2.3 整機(jī)設(shè)計因素排查

對空調(diào)整機(jī)在冷啟動和熱啟動環(huán)節(jié)的波形進(jìn)行監(jiān)控（見圖3和圖4），發(fā)現(xiàn)整流橋在兩個工作模式下承受的反向電壓分別是196V和270V，遠(yuǎn)未達(dá)到整流橋反向800V的基本測試電壓。因此，空調(diào)整機(jī)設(shè)計余量足夠，不會達(dá)到擊穿整流橋的條件。

①冷啟動（VR最高196V，TR最大50μS）。

②熱啟動（VR最高270V，TR最大50μS）。

2.4 單體耐壓一致性排查

由于下線品均集中在一個批次（7239），為了核實是否存在同批次整流橋耐壓值不一致的問題，取同批次庫存制品5 000pcs進(jìn)行反向耐壓全檢（半導(dǎo)體測試儀，單點測試時間8ms）。經(jīng)驗證，在現(xiàn)有測試設(shè)備和測試條件情況下，同批次反向耐壓極限值為1 388～1 574V（技術(shù)要求不低于800V即為合格[3]），未發(fā)現(xiàn)耐壓值偏低的不良品。

2.5 可靠性驗證

將同批次未使用的制品進(jìn)行耐久性驗證（HTRB高溫反偏），試驗條件：125℃、800V、500H，試驗數(shù)量：77pcs。試驗結(jié)果：當(dāng)試驗進(jìn)行至168H時，出現(xiàn)1pcs整流橋短路失效（見表1），失效模式與售后故障現(xiàn)象一致，可確定物料本身存在質(zhì)量缺陷。

2.6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)解析

根據(jù)試驗結(jié)果，取售后退回不良品進(jìn)行3D-Xray檢測，發(fā)現(xiàn)部分樣品銅支架表面與晶圓之間存在焊料殘留物，同步增加觀察數(shù)量、擴(kuò)大不良品的觀察范圍，對比其他批次正常品。結(jié)果表明，售后失效品在整流橋的不同區(qū)域均能檢測到焊料殘留物（見圖5）。

同步對失效品的擊穿點進(jìn)行超景深觀察，發(fā)現(xiàn)燒毀位置（見圖6）的碳化物是沿著晶片玻璃的側(cè)面自上而下?lián)舸?。結(jié)合在不同位置發(fā)現(xiàn)殘留物的現(xiàn)象，初步確認(rèn)導(dǎo)致異常的原因是焊料殘留物在成型后被模流沖到銅支架上下極之間，導(dǎo)致在長期通電的情況下出現(xiàn)飛弧擊穿引發(fā)晶圓短路失效。

3 原因分析與質(zhì)量整改

3.1 生產(chǎn)工序異常點

整流橋成品生產(chǎn)工序：點膠-焊接-清洗-成型-測試。焊料殘留物的產(chǎn)生是在焊接工序之后（點膠經(jīng)過回流焊后熔化起到焊接作用），焊接完成后需要經(jīng)過超聲波清洗來洗掉支架表面和晶圓周圍的殘留物，因此初步判定是焊接和清洗工序的管控出現(xiàn)了問題。

3.2 失效批次的排查

由于售后失效品集中在7239批次，因此需要對該批次的生產(chǎn)信息進(jìn)行核查。經(jīng)核實，該批次的生產(chǎn)周期跨度為2017年9月26日至10月6日，其中10月1日至10月5日未生產(chǎn)。排查發(fā)現(xiàn)，部分料號的半成品是在節(jié)前焊接、節(jié)后成型。這種情況下，存在焊接后半成品漏清洗直接成型的隱患。

3.3 模擬驗證

為了驗證焊接后漏清洗是否是導(dǎo)致整流橋短路失效的原因，取焊接后半成品按以下四種情況進(jìn)行模擬試驗：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。

試驗結(jié)果如下：焊接后漏清洗直接成型的整流橋，在168H的高溫反偏試驗中均復(fù)現(xiàn)了與售后故障現(xiàn)象一致的失效模式，可確認(rèn)為廠家在焊接成型后漏清洗導(dǎo)致了此次質(zhì)量事故。

3.4 改善方案

此次質(zhì)量事故暴露了整流橋生產(chǎn)環(huán)節(jié)由于遺漏工序?qū)е碌漠a(chǎn)品可靠性降低。對于生產(chǎn)環(huán)節(jié)不同料段的狀態(tài)，通過使用不同顏色的周轉(zhuǎn)筐保證監(jiān)控有效性;對于存在漏清洗的問題，將生產(chǎn)流程卡由紙質(zhì)跟進(jìn)變更為電子流程卡;同時，增加半成品和成品的放大鏡全檢，篩查焊料殘留批次[4]。

4 結(jié)論

①空調(diào)用整流橋的功能可靠性管控，建議在保證原有晶圓選型一致性的前提下，增加對生產(chǎn)環(huán)節(jié)突發(fā)異常問題導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)可靠性降低的隱患點的識別與管控。

②對于功率器件存在的導(dǎo)電雜質(zhì)或異物缺陷，常規(guī)的瞬態(tài)測試方法無法有效篩查出此類不良，極易導(dǎo)致批質(zhì)量事故。

③環(huán)境應(yīng)力類試驗監(jiān)控方案，可全面應(yīng)用于強(qiáng)電類功率器件的可靠性篩查，尤其是對于存在生產(chǎn)制造缺陷和一致性差異的產(chǎn)品，篩選度能達(dá)到0.99以上，供方出貨檢測環(huán)節(jié)和客戶上線使用前均可作為可靠性評估的有效手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]雍靜.單相不可控橋式整流濾波電路容性特性[J].電力系統(tǒng)自動化，2014（10）：113-119.

[2]孫海濤，管春江.勵磁整流橋故障分析[J].電工技術(shù)，2011（12）：65-68.

[3]耿道波.可控硅整流橋均流問題分析及現(xiàn)場處理方法[J].中國設(shè)備工程，2015（12）：72-74.

[4]周玉芬，高錫俊，李建華，等.環(huán)境應(yīng)力篩選加速系數(shù)[J].航空精密制造技術(shù)，2003（5）：38-40.