E公司M產品MOS管失效分析

艾默生網絡能源有限公司 陳 嵐

E公司M產品MOS管失效分析

艾默生網絡能源有限公司 陳 嵐

【摘要】本文研究的是E公司M產品MOS管失效分析， 尋找關鍵失效因子對產品失效進行分析，準確、高效的定位產品失效的具體原因并給出解決措施，同時通過失效分析經驗積累，為E公司建立應用預期失效分析消除產品技術狀態潛在失效的方法。

【關鍵詞】E公司；失效；MOS管；炸機

1.緒論

1.1 選題背景

21世紀是電子信息技術時代，電子產品的可靠性是該技術發展的基礎。因此產品失效分析技術成為產品競爭的關鍵。探尋產品準確、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產品在中試驗正時出現MOS管失效炸機的原因并制定解決措施，同時制定預防失效方案。

2.相關文獻

產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鍵。常用的電子產品失效分析思路有：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象的因子；⑤分析失效因子，找出可能引起失效的關鍵因子；⑥驗證關鍵因子；⑦得出失效分析結并制定預防失效措施［1］。

預期失效分析方法通過進化理論選擇產品進化路線、預測失效及消除失效三個步驟 ，得出未來產品技術狀態期望的解［2］。

3.失效分析

3.1 問題描述

M產品在試驗時發現有2個產品在常溫某一特定電壓輸入、輸出時出現炸機（即MOS管燒毀）現象。具體現象是MOS管開裂，具體情況如下：

現象一：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）驅動異常。

農墾經濟保持穩步增長態勢。預計2018年農墾生產總值8181.68億元，較上年增加268.06億元，增長3.39%。糧食和重要農產品產量穩步增長，預計2018年糧食、棉花、糖料、天然橡膠產量分別達到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%。

根據出現炸機模塊的信息分析炸機出現在同一批次的MOS管，故將重點放在低壓帶載起機動態過程中兩種MOS管的差異，經過對比兩種MOS管資料發現，A管的熱阻比B管的大30%，導通關斷時間大一個數量級，這樣會導致A管的開關損耗比B管的大，且熱阻大。M產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，其結溫會比B管的大不少，最后導致炸機。因此M產品失效分析的關鍵因子是（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管子開關損耗究竟相差多少，為此，測量了兩個管子在相同的開通、關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應該是uVAs，即uJ；（2）將開通關斷能量除開關周期10us就是開關損耗，如91.89uJ/10us＝9.189w。

表1-1

從圖1-1可以得到如下結論：

1）兩種管子開通時間及損耗基本相當；

A 管的關斷損耗遠大于B管；相同關斷電流情況下穩態8.91w 對1.7w，即穩態時A管的關斷損耗為B管的5.24倍；動態17.32w對5.49w，即穩態時A 管的關斷損耗為B管的3.15倍。從以上驗證只能得出大概的結論，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管工頻周期內開關損耗、導通損耗究竟是多少，引起的溫升又是多少沒有定量的數據。

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損耗，然后處理得到一個工頻周期內的大致開關損耗。

結合測試數據及計算書算出的導通損耗7.703w，可以得到此狀態下的總損耗如下：Pi/2內開通消耗能量（mJ）：11.208；Pi/2內關斷消耗能量（mJ）：12.022；工頻周期內開通損耗（w）：4.483；工頻周期內關斷損耗（w）：4.809；工頻周期內開關損耗（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管結殼熱阻為0.83，所以結殼溫升為16.995*0.83＝14.1度。重新測試了A 管子在特定輸入、輸出下，動態及穩態溫升，結果發現管子最大殼溫95度，那么此時的結溫為95+14.1＝109.1度，滿足產品元器件降額設計要求，那為什么還會炸機呢？

帶著上述疑問測試B管殼溫，最后竟然發現B管的殼溫最高可以達到120度，比A管殼溫高很多，根據A、B管的相關參數，理論上A管殼溫比B管高才是正確的，在相同的電路設計及測試方式下，實際測試結果與理論相反，對比兩個產品發現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？根據以前新工藝驗證方案及結論，獲得粘接工藝和陶瓷基片的溫升對比結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論正確那么就不可能出現此現象。為了再次驗證裝配工藝差異，A管重新用兩種工藝裝配產品，經過常溫同樣工作條件下的溫度對比發現使用粘接工藝的產品，在相同的輸入、輸出狀態下，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、半載輸出時都出現了炸機，從測試數據可以看出粘接工藝的管子殼溫無論那種工作狀態，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個管子的溫升數據發現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溫如下：123+14.1＝137.1度，超過降額規范。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，這樣再校合結溫為123+14.1+7＝144.1度，遠超降額要求，接近管子最高結溫150度，所以炸機風險很大。因此我們認為M產品出現炸機的最主要原因是散熱器粘接工藝出現問題，導致散熱片散熱不良。

4.研究結論

基于上面的試驗，我們得到M產品炸機的原因為：M產品散熱片粘接工藝出現問題，導致管子散熱不良，而A管的關斷損耗、熱阻都比B管的大，使得結溫過高，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，粘結工藝需要重新研究驗證，在可以控制相關參數的情況下再投入使用，同時建立粘結工藝預期失效分析方案，并分析評審已經使用此工藝的所有產品，消除產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［J］.軍民兩用技術與產品，2015，12.

［2］薛來，李彥，李文強，熊艷.實效預測在產品直接進化理論中的應用［J］.機械設計與研究，2010，26（2）.

作者簡介：

陳嵐（1976—），女，甘肅通渭人，碩士，現供職于艾默生網絡能源有限公司，研究方向：電源、項目管理。