基于圖示儀的晶體管檢測(cè)方法研究

楊繼云 邵 兵

(92941部隊(duì) 葫蘆島 125001)

基于圖示儀的晶體管檢測(cè)方法研究

楊繼云 邵 兵

(92941部隊(duì) 葫蘆島 125001)

針對(duì)傳統(tǒng)直流脈沖測(cè)試方法不能發(fā)現(xiàn)二極管存在軟擊穿缺陷的問(wèn)題,提出一種基于圖示儀的整流二極管軟擊穿缺陷檢測(cè)方法。首先分析了導(dǎo)致二極管存在軟擊穿缺陷的因素,其次通過(guò)對(duì)工程實(shí)際中某型三相整流模塊失效分析,發(fā)現(xiàn)采用圖示儀掃描反向耐壓曲線能夠檢測(cè)有軟擊穿缺陷的整流二極管,最后通過(guò)實(shí)際使用驗(yàn)證,該方法有效可行。

二極管; 擊穿; 圖示儀; 檢測(cè)

Class Number TM932

1 引言

隨著科技的發(fā)展,晶體管的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,尤其是二極管的使用隨著微電路的廣泛應(yīng)用越來(lái)越普遍。在二極管的生產(chǎn)和使用過(guò)程中,如何發(fā)現(xiàn)不合格品是各類工程技術(shù)人員需要直接面對(duì)的問(wèn)題。

目前,傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有直流脈沖測(cè)試等方法。在工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn),通過(guò)傳統(tǒng)的直流脈沖測(cè)試方法檢測(cè)是合格品,交付使用一定時(shí)間后存在失效的故障。通過(guò)深入分析整流二極管的工作原理和失效機(jī)理發(fā)現(xiàn)[1],存在軟擊穿缺陷的整流二極管在長(zhǎng)期使用中會(huì)發(fā)生失效故障[2]。

本文針對(duì)上述現(xiàn)象,提出了一種基于圖示儀掃描反向耐壓曲線的檢測(cè)方法。該方法通過(guò)測(cè)試特定反向擊穿電壓下,漏電電流的大小來(lái)區(qū)分有無(wú)軟擊穿缺陷。該方法能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出存在軟擊穿缺陷的整流二極管。

2 理論

在實(shí)際使用中,整流二極管通常要通過(guò)較大的電流。當(dāng)在PN結(jié)上加正弦交變電壓時(shí),在PN結(jié)上會(huì)有一定的功率消耗[3],具體可分為:在電壓正半周時(shí),整流電流會(huì)引起功率消耗；在電壓負(fù)半周時(shí),反向漏電流會(huì)引起功率消耗[4]。整流二極管的總功率消耗為兩者之和。

一般情況下,反向漏電流很小,反向漏電流引起的功率消耗可以忽略不計(jì)。但是,當(dāng)PN結(jié)存在工藝缺陷時(shí),反向漏電流引起的功率消耗在結(jié)溫或環(huán)境溫度比較高時(shí),這種功率消耗所產(chǎn)生的溫升很高,從而導(dǎo)致?lián)舸┦5]。通常情況下,反向漏電流異常的主要原因有:

1) 在整流二極管芯片的制造過(guò)程中,表面PN結(jié)受沾污。這與制造環(huán)境潔凈度和生產(chǎn)過(guò)程中的清洗有關(guān),尤其是清洗方法和時(shí)間以及水的純度是關(guān)鍵。

2) 表面PN結(jié)鈍化保護(hù)不良。這與鈍化層材料選擇、保護(hù)層是否含有雜質(zhì)有關(guān)。

3) 擴(kuò)散工藝過(guò)程中,發(fā)生重金屬沾污。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步,重金屬沾污已經(jīng)不是影響二極管質(zhì)量主要問(wèn)題。

這些工藝缺陷都會(huì)造成整流二極管的反向漏電流過(guò)大,它不但直接影響產(chǎn)品的成品率[6],也是影響產(chǎn)品使用可靠性的主要因素。

PN結(jié)受到沾污的二極管等同于一個(gè)合格二極管并聯(lián)了一個(gè)電阻。

外界沾污對(duì)高反壓二極管更敏感,由于更容易形成反型層,共陽(yáng)極所用芯片在制造過(guò)程中,受外部環(huán)境污染的影響更大[7]。

隨著制造水平的提高,半導(dǎo)體二極管成品率及可靠性越來(lái)越高,但也要通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和篩選剔除早期失效以及存在長(zhǎng)期可靠性隱患的特別產(chǎn)品[8]。

某型三相整流模塊等效電路圖如圖1所示,其中整流管D1、D2、D3共陰極,正向電流IFM為41A,整流管D4、D5、D6共陽(yáng)極,正向電流IFM為42A,浪涌電流IFSM均為300A。二極管所使用的兩種芯片均為進(jìn)口芯片,采用平面外延制作工藝,表面采用玻璃鈍化保護(hù),都是成熟工藝,采用平面工藝制造的半導(dǎo)體器件的成品率和可靠性都非常高。

圖1 某型三相整流模塊等效電路圖

從半導(dǎo)體工藝及原理分析,共陰極整流管的可靠性高于共陽(yáng)極整流管,具體講就是共陰極整流管的漏電流可以控制的更小[9]。

圖2(a) 芯片(T-DWN21)剖面圖

圖2(b) 芯片(T-DWP21)剖面圖

圖2(a)為共陽(yáng)極整流管D4、D5、D6所用芯片剖面圖,圖2(b)為共陰極整流管D1、D2、D3所用芯片剖面圖。

該型三相整流模塊主要電測(cè)試執(zhí)行條件如表1所示。

表1 某型三相整流模塊電特性

單個(gè)二極管反向漏電流IR條件:VR=1200V,IR<10μA。

共陽(yáng)極整流管D4、D5、D6實(shí)際測(cè)試反向擊穿電壓VR遠(yuǎn)大于1200V,在其芯片生產(chǎn)中如果因工藝缺陷而造成部分產(chǎn)品存有隱患,反向漏電流雖能滿足1200V的條件下其反向漏電流小于10μA的要求,但產(chǎn)品中的缺陷仍然存在。這些產(chǎn)品是工藝過(guò)程中引入了缺陷的高壓不良品,這些不良品基本上是由于PN結(jié)受到沾污造成PN結(jié)軟擊穿所致。

PN結(jié)軟擊穿導(dǎo)致二極管電性能退化,指標(biāo)參數(shù)降低從而造成故障隱患,且不易被發(fā)現(xiàn),PN結(jié)軟擊穿時(shí)裝備仍能帶病工作[10],性能未發(fā)生根本變化,但多次電壓沖擊導(dǎo)致器件電性能不斷退化,有缺陷的高壓不良品反向擊穿曲線的退化如圖3所示,最終造成PN結(jié)穿通二極管徹底失效,電子裝備運(yùn)行不正常。

3 檢測(cè)方法與實(shí)驗(yàn)

工程實(shí)際中,該型三相整流模塊多次發(fā)生燒毀失效,輸出端無(wú)供電輸出。通過(guò)查閱其生產(chǎn)過(guò)程中的DPA報(bào)告以及其他檢測(cè)報(bào)告,產(chǎn)品的封裝工藝完全正常。通過(guò)對(duì)其失效機(jī)理分析,要保證該型三相整流模塊的產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性,必須剔除直流脈沖測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試合格卻存在軟擊穿缺陷的產(chǎn)品。

圖3 軟擊穿產(chǎn)品反向擊穿曲線退化示意圖

目前,該型三相整流模塊的詳細(xì)規(guī)范執(zhí)行GJB33A-1997JT等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn),主要采用半導(dǎo)體分立器件綜合測(cè)試儀對(duì)其二極管進(jìn)行直流參數(shù)測(cè)試,包括初測(cè)、中間測(cè)試、終點(diǎn)測(cè)試。但在產(chǎn)品質(zhì)量分析時(shí),發(fā)現(xiàn)個(gè)別產(chǎn)品的反向特性曲線呈軟擊穿特征,這類產(chǎn)品在長(zhǎng)期加電使用過(guò)程中反向擊穿電壓逐漸退化,最終導(dǎo)致二極管失效。

為剔除掉這些“合格”的高壓不良品,通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)整流二極管進(jìn)行圖示儀(如圖4所示)反向耐壓曲線掃描能夠發(fā)現(xiàn)存在軟擊穿缺陷的產(chǎn)品。并通過(guò)后期用戶在整機(jī)上的使用情況,發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)措施有效,能夠保證該型三相整流模塊長(zhǎng)期使用中的可靠性。圖5為軟擊穿的圖示儀圖像,圖6為圖示儀合格的圖像。

圖4 圖示儀面板示意圖

圖5 軟擊穿曲線(500V/格)

圖6 硬擊穿曲線(500V/格)

通過(guò)對(duì)已交付產(chǎn)品的終點(diǎn)常溫測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),并對(duì)庫(kù)存中圖示儀不合格的產(chǎn)品進(jìn)行了電參數(shù)復(fù)測(cè),通過(guò)分析可知軟擊穿的二極管在反向擊穿電壓VBR=1200V下測(cè)得的漏電流IR軟,要比硬擊穿的二極管在相同條件下測(cè)得的漏電流IR硬要大,具體為VR=1200V時(shí),2μA

圖7 VR=1200V時(shí)硬擊穿與軟擊穿的漏電流IR示意圖

圖8 該型三相整流模塊在整機(jī)中部分實(shí)際應(yīng)電路

圖示儀檢測(cè)的具體方法如下。

圖8是該型三相整流模塊在整機(jī)中的部分應(yīng)用電路,如果不考慮輸出端并聯(lián)濾波電容C201電壓限制要求,通過(guò)輸出端(OUT+、OUT-)和輸入端(IN1、IN2、IN3)采用圖示儀對(duì)其反向特性曲線進(jìn)行掃描,從而可以完全剔除不良品。

在該型三相整流模塊實(shí)際應(yīng)用電路輸出端并聯(lián)濾波電容C201,電容C201額定電壓850V,最高擊穿電壓應(yīng)不能超過(guò)1280V,故圖示儀所加的安全掃描電壓選擇1200V。

(a)X軸

(b)Y軸圖9 圖示儀操作界面

圖示儀操作界面如圖9(a)、(b)所示,峰值電壓+5kV檔位,X軸500V/度,Y軸0.01mA/度。

根據(jù)上述分析中所得出的結(jié)論:VR=1200V時(shí),2μA

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了整流二極管存在軟擊穿缺陷的影響因素,通過(guò)對(duì)工程實(shí)際中某型三相整流模塊發(fā)生失效故障的分析,發(fā)現(xiàn)通過(guò)采取圖示儀掃描反向耐壓曲線的方法,能夠發(fā)現(xiàn)存在軟擊穿缺陷的整流二極管。為工程技術(shù)人員提供一種有別于傳統(tǒng)直流脈沖測(cè)試方法的整流二極管檢測(cè)方法。

[1] 李建林,張仲超.相移SPWM多電平變流器有源濾波器的仿真[J].高壓電技術(shù),2003,29(2):27-28.

[2] 任興榮,柴常春,等.電磁脈沖作用下二極管二次擊穿電熱特性[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,40(2):36-42.

[3] 楊恒新,黃亞麗,等.大信號(hào)輸入二極管電路電流波形分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(15):185-188.

[4] 袁義生,龔昌為.三電平變壓器中漏感對(duì)二極管換流影響[J].電力電子技術(shù),2012,46(6):85-87.

[5] 查煒英,吳郁,等.快恢復(fù)二極管動(dòng)態(tài)雪崩問(wèn)題及技術(shù)發(fā)展[J].電力電子技術(shù),2015,46(12):97-99.

[6] 江雪,龔春英.二極管反向恢復(fù)時(shí)問(wèn)對(duì)LLC變換器性能的研究[J].電力電子技術(shù),2010,44(2):37-39.

[7] 方春恩,李威,等.PIN型功率二極管動(dòng)態(tài)特性物理模型參數(shù)提取[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(6):208-215.

[8] 王寶安,趙燕,等.二極管箝位型三電平PWM變流器的研究[J].電力電子技術(shù),2014,48(7):63-65.

[9] 柴常春,席曉文,任興榮,等.雙極晶體管在強(qiáng)電脈沖作用下的操作效應(yīng)與機(jī)理[J].物理學(xué)報(bào),2010,59(11):8118-8124.

[10] 張興霞,張加勝,等.電壓型PMW可逆逆建模與系統(tǒng)仿真[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào),1999,23(3):93-98.

新 書 書 訊

電子工業(yè)出版社2016年3月正式出版《大數(shù)據(jù)時(shí)代的海上指揮與控制》一書。該書是國(guó)內(nèi)第一部從大數(shù)據(jù)的角度論述海上指揮與控制的專著。全書系統(tǒng)論述了大數(shù)據(jù)指揮與控制的概念、內(nèi)涵和本質(zhì)，詮釋了大數(shù)據(jù)時(shí)代指揮與控制的組織形態(tài)，提出了幾種典型的海上大數(shù)據(jù)指揮控制行動(dòng)及相關(guān)大數(shù)據(jù)；基于云計(jì)算和云作戰(zhàn)理念，提出了海上大數(shù)據(jù)聯(lián)合作戰(zhàn)行動(dòng)體系平臺(tái)框架和功能模型，闡述了大數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容和方式，系統(tǒng)分析了大數(shù)據(jù)指揮控制活動(dòng)流程，具體論述了大數(shù)據(jù)聯(lián)合作戰(zhàn)空間管理、戰(zhàn)場(chǎng)資源管理、精確火力控制以及大數(shù)據(jù)海上應(yīng)急救援指揮等軍事行動(dòng)和非軍事行動(dòng)指揮控制的有關(guān)內(nèi)容。

本書內(nèi)容豐富、題材新穎，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性和應(yīng)用研究?jī)r(jià)值，可供有關(guān)院校、相關(guān)科研院所、部隊(duì)等有關(guān)科研人員、指揮人員研究參考。

聯(lián)系人：張楠；聯(lián)系電話：(0)18518480863

Transistor Detection Method Based on Graphic Instrument

YANG Jiyun SHAO Bing

(No. 92941 Troops of PLA, Huludao 125001)

Aiming at the problem that the traditional DC pulse test method can not find the soft breakdown defect of the diode, a rectifier diode soft breakdown detection method based on the graphic instrument is proposed. Firstly, the factors causing the soft breakdown defects of diodes are analyzed, followed by analysis of a three-phase rectifier module failure in the engineering practice, it is found that the rectifier diode with soft breakdown defect can be detected by using the graphic instrument to scan the reverse pressure curve of the diode, finally through the actual test, this method is effective and feasible.

diode, breakdown, graphic instrument, testing

2016年7月9日,

2016年8月22日

楊繼云,男,碩士研究生,工程師,研究方向:從事發(fā)射控制。邵兵,男,工程師,研究方向:武器發(fā)射控制。

TM932

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.029