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

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(duì)產(chǎn)品失效進(jìn)行分析，準(zhǔn)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(shí)通過(guò)失效分析經(jīng)驗(yàn)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(jī)

1.緒論

1.1 選題背景

21世紀(jì)是電子信息技術(shù)時(shí)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(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。探尋產(chǎn)品準(zhǔn)確、高效的分析方法及手段顯得尤為重要。

1.2 研究的問(wèn)題

分析M產(chǎn)品在中試驗(yàn)正時(shí)出現(xiàn)MOS管失效炸機(jī)的原因并制定解決措施，同時(shí)制定預(yù)防失效方案。

2.相關(guān)文獻(xiàn)

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(zhǔn)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(diǎn)；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(yàn)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(guò)進(jìn)化理論選擇產(chǎn)品進(jìn)化路線、預(yù)測(cè)失效及消除失效三個(gè)步驟 ，得出未來(lái)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)期望的解［2］。

3.失效分析

3.1 問(wèn)題描述

M產(chǎn)品在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)有2個(gè)產(chǎn)品在常溫某一特定電壓輸入、輸出時(shí)出現(xiàn)炸機(jī)（即MOS管燒毀）現(xiàn)象。具體現(xiàn)象是MOS管開(kāi)裂，具體情況如下：

現(xiàn)象一：開(kāi)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(gè)洞；芯片有較大面積的燒毀，燒毀處已嚴(yán)重碎裂，S極和G極PCB 導(dǎo)線均熔斷。

現(xiàn)象二：外殼完好的MOS管，三個(gè)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?chē)芯植窟^(guò)熱痕跡，沒(méi)有明顯過(guò)流現(xiàn)象。

3.2 問(wèn)題分析

初步分析是器件局部過(guò)熱燒毀，短路后流過(guò)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(guò)熱的主要因子有：

（1）長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載；（2）散熱不良；（3）d-s雪崩擊穿后瞬時(shí)功耗較大；（4）驅(qū)動(dòng)異常。

農(nóng)墾經(jīng)濟(jì)保持穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。預(yù)計(jì)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(zhǎng)3.39%。糧食和重要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2018年糧食、棉花、糖料、天然橡膠產(chǎn)量分別達(dá)到3639.47萬(wàn)噸、219.16萬(wàn)噸、779.61萬(wàn)噸、35.33萬(wàn)噸，分別較上年增加123.98萬(wàn)噸、46.38萬(wàn)噸、20.21萬(wàn)噸、6.23萬(wàn)噸，分別增長(zhǎng)3.53%、26.84%、2.66%、21.41%。

根據(jù)出現(xiàn)炸機(jī)模塊的信息分析炸機(jī)出現(xiàn)在同一批次的MOS管，故將重點(diǎn)放在低壓帶載起機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程中兩種MOS管的差異，經(jīng)過(guò)對(duì)比兩種MOS管資料發(fā)現(xiàn)，A管的熱阻比B管的大30%，導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間大一個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣會(huì)導(dǎo)致A管的開(kāi)關(guān)損耗比B管的大，且熱阻大。M產(chǎn)品在低壓重載起機(jī)時(shí)，會(huì)有比較長(zhǎng)（1s左右）的一段過(guò)壓過(guò)程，所以初步分析可能是起機(jī)過(guò)程中，A管因?yàn)閾p耗大，熱阻大，其結(jié)溫會(huì)比B管的大不少，最后導(dǎo)致炸機(jī)。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(yàn)證

為了驗(yàn)證上述分析，需要確認(rèn)A、B管子開(kāi)關(guān)損耗究竟相差多少，為此，測(cè)量了兩個(gè)管子在相同的開(kāi)通、關(guān)斷電流下的損耗對(duì)比如表1-1所示。

部分典型對(duì)比波形如圖1-1所示。

圖1-1注：（1）圖中因?yàn)殡娏魇怯肰表示，所以能量單位uV2s應(yīng)該是uVAs，即uJ；（2）將開(kāi)通關(guān)斷能量除開(kāi)關(guān)周期10us就是開(kāi)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(kāi)通時(shí)間及損耗基本相當(dāng)；

A 管的關(guān)斷損耗遠(yuǎn)大于B管；相同關(guān)斷電流情況下穩(wěn)態(tài)8.91w 對(duì)1.7w，即穩(wěn)態(tài)時(shí)A管的關(guān)斷損耗為B管的5.24倍；動(dòng)態(tài)17.32w對(duì)5.49w，即穩(wěn)態(tài)時(shí)A 管的關(guān)斷損耗為B管的3.15倍。從以上驗(yàn)證只能得出大概的結(jié)論，即MOS管炸機(jī)的主要因子是散熱不良引起的，這一點(diǎn)充分驗(yàn)證了起初的分析，但是ST MOS管工頻周期內(nèi)開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗究竟是多少，引起的溫升又是多少?zèng)]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(cè)量每段中一個(gè)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)損耗，然后處理得到一個(gè)工頻周期內(nèi)的大致開(kāi)關(guān)損耗。

結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算書(shū)算出的導(dǎo)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗（w）：9.292；工頻周期導(dǎo)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(cè)試了A 管子在特定輸入、輸出下，動(dòng)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(shí)的結(jié)溫為95+14.1＝109.1度，滿(mǎn)足產(chǎn)品元器件降額設(shè)計(jì)要求，那為什么還會(huì)炸機(jī)呢？

帶著上述疑問(wèn)測(cè)試B管殼溫，最后竟然發(fā)現(xiàn)B管的殼溫最高可以達(dá)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(jì)及測(cè)試方式下，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論相反，對(duì)比兩個(gè)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(huì)不會(huì)和管子的裝配工藝有關(guān)？根據(jù)以前新工藝驗(yàn)證方案及結(jié)論，獲得粘接工藝和陶瓷基片的溫升對(duì)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(yàn)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(yàn)證裝配工藝差異，A管重新用兩種工藝裝配產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)常溫同樣工作條件下的溫度對(duì)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(jī)。其它4個(gè)A管使用粘接工藝的模塊在相同輸入、半載輸出時(shí)都出現(xiàn)了炸機(jī)，從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出粘接工藝的管子殼溫?zé)o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(gè)體差異，又測(cè)了不同工藝下7個(gè)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(yuǎn)大于使用陶瓷基片的管子的殼溫，與以前新工藝研究中測(cè)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(guò)降額規(guī)范。而后來(lái)試驗(yàn)又證明，如果溫度探頭不放在管子背風(fēng)凹處，放在背風(fēng)靠近鐵殼處殼溫會(huì)大7度左右，這樣再校合結(jié)溫為123+14.1+7＝144.1度，遠(yuǎn)超降額要求，接近管子最高結(jié)溫150度，所以炸機(jī)風(fēng)險(xiǎn)很大。因此我們認(rèn)為M產(chǎn)品出現(xiàn)炸機(jī)的最主要原因是散熱器粘接工藝出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致散熱片散熱不良。

4.研究結(jié)論

基于上面的試驗(yàn)，我們得到M產(chǎn)品炸機(jī)的原因?yàn)椋篗產(chǎn)品散熱片粘接工藝出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)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(guò)高，管子熱積累后失效導(dǎo)致炸機(jī)。因此E公司MOS管的裝配暫時(shí)使用陶瓷基片，粘結(jié)工藝需要重新研究驗(yàn)證，在可以控制相關(guān)參數(shù)的情況下再投入使用，同時(shí)建立粘結(jié)工藝預(yù)期失效分析方案，并分析評(píng)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(xiàn)

［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(lái)，李彥，李文強(qiáng)，熊艷.實(shí)效預(yù)測(cè)在產(chǎn)品直接進(jìn)化理論中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010，26（2）.

作者簡(jiǎn)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(xiàng)目管理。