李曉茜，胡春田，安淇雨

（深圳市計量質(zhì)量檢測研究院，深圳 518055）

引言

整流二極管是一種將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽?dǎo)體器件，利用其單向?qū)щ娦裕梢园逊较蚪惶孀兓慕涣麟娮兂蓡我环较虻拿}沖直流電，因此廣泛應(yīng)用于各種交流變直流的整流電路中。二極管的失效會直接導(dǎo)致整個電路的功能故障。某公司生產(chǎn)的電源適配器在用戶端失效，整流二極管損毀。本文結(jié)合整流二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其失效分析的流程和方法展開探討，最終確認(rèn)了此次失效發(fā)生的真正原因。

1 結(jié)構(gòu)特性和失效現(xiàn)象

整流二極管通常包含一個PN 結(jié)，從P 區(qū)和N 區(qū)分別接出的引線以及封裝用的管殼。在電路中，電流只能從二極管的正極（P 區(qū)引出端）流入，負(fù)極（N 區(qū)引出端）流出[1]。二極管結(jié)構(gòu)及典型整流電路原理詳見圖1。本次電源適配器的失效現(xiàn)象為無輸出，整流橋中四只整流二極管均損毀，保險絲燒毀。

圖1 二極管結(jié)構(gòu)及典型整流電路原理圖

2 失效分析流程和方法

在確認(rèn)整流二極管失效后，使用一系列失效分析方法進(jìn)行試驗，以求結(jié)合理論分析最終確定該失效樣品的失效機(jī)理及明確失效原因[2]。失效分析流程如圖2 所示，從無損檢查到破壞性分析逐一進(jìn)行排查。本次失效分析選取同批次性能正常的適配器作為對比樣品。

圖2 失效分析流程圖

2.1 外觀檢查

通過外觀檢查發(fā)現(xiàn)，失效樣品上整流二極管（D1 ～D4）位置的印制線路連接處銅皮有部分裸露（如圖3（a）），整流二極管引腳焊點(diǎn)焦黃，保險絲（F1）燒毀變黑（如圖3（b）），其他位置未見異常。

圖3 失效樣品外觀檢查

2.2 X-Ray 透視檢查

對失效樣品和正常樣品上的主要元器件進(jìn)行了X-Ray 透視檢查（圖4）。發(fā)現(xiàn)失效樣品的整流二極管均被損毀，保險絲也被燒毀，從形貌來看應(yīng)為大電流引起。除此，還檢查了可能引起整流橋四只整流二極管均燒毀的關(guān)鍵元件[3]，失效樣品的Q1 開關(guān)管內(nèi)部芯片的粘結(jié)未見異常，失效樣品的熱敏電阻 NTC 未見異常。

圖4 X-Ray 透視圖片

2.3 電路分析及故障模擬

分析電源適配器本身的電路圖（圖5），能導(dǎo)致整流電路出現(xiàn)大電流或者燒毀的可能原因有開關(guān)管Q1 短路、二極管正向電壓過大或者反向電流過大、二極管本身結(jié)構(gòu)異常、工作中散熱不及時導(dǎo)致過熱[4]，接下來一一排查。

圖5 失效產(chǎn)品電路圖

假設(shè)樣品是由于Q1 開關(guān)管被擊穿短路導(dǎo)致整流橋短路，大電流產(chǎn)生大量熱量，整流二極管燒毀。對失效樣品中的關(guān)鍵元件用萬用表進(jìn)行測量，Q1、 NTC 熱敏電阻、變壓器T1 均正常，但D1 ～D4 均短路，F(xiàn)1 開路。由此可知，失效樣品不是由于Q1 開關(guān)管被擊穿短路造成的。

假設(shè)整流二極管是由于嚴(yán)重工藝問題導(dǎo)致關(guān)鍵參數(shù)明顯異常，如耐壓不夠、最大反向電流過大等造成的失效。選取正常樣品的整流二極管進(jìn)行參數(shù)測試。由表1 測試數(shù)據(jù)可知，樣品的整流二極管參數(shù)正常，不存在嚴(yán)重工藝問題。

表1 同批次正常樣品上整流二極管參數(shù)測試數(shù)據(jù)

接著，進(jìn)行了故障模擬分析?？紤]到樣品可能是因結(jié)構(gòu)設(shè)計問題導(dǎo)致工作時散熱不暢，二極管過熱老化燒毀。對正常樣品進(jìn)行了正常帶載常溫老化，帶負(fù)載正常工作，并在D1 ～D4 上加熱電偶進(jìn)行8 h 溫升試驗，8 h后整流二極管表面的溫度均為40 ℃左右。由整流二極管的熱阻（50 ℃/W）及電源適配器的輸入電壓（（100～240）V，50/60 Hz，1.0 A）、輸出功率（12 V/1 A）可知，整流二極管應(yīng)該不是因為過熱而引起的熱燒毀?？紤]到樣品也可能是L-N 端浪涌電壓導(dǎo)致樣品擊穿短路燒毀。對正常樣品進(jìn)行電浪涌試驗驗證[5]，對L-N 施加±1 kV、±2 kV 的浪涌電壓未造成樣品失效。由此可見，樣品失效跟浪涌電壓也無關(guān)。

2.4 關(guān)鍵元件破壞分析

對失效樣品及正常樣品的Q1 開關(guān)管去掉其封裝層，對其內(nèi)部進(jìn)行顯微鏡對比檢查（圖6），失效樣品上的Q1 表面無電流燒毀或電壓擊穿的現(xiàn)象,與正常樣品上的Q1 結(jié)構(gòu)比較無異常。進(jìn)一步驗證了失效不是由于Q1 開關(guān)管問題造成的。

圖6 開封鏡檢照片

2.5 切片分析

對失效樣品上的整流二極管D1 ～D4 進(jìn)行切片分析（圖7），可看到剖面都有明顯的溶坑，部分整流二極管半導(dǎo)體部分與連接引腳的界面處厚度不均勻，部分整流二極管半導(dǎo)體內(nèi)部有裂紋；正常樣品上的D1 ～D4 切片界面中整流二極管半導(dǎo)體部分與連接引腳的界面處厚度均勻，界面平整，無明顯機(jī)械損傷；

圖7 切片分析照片

通過對失效樣品上的D1 ～D4 與正常樣品上的D1 ～D4 整流二極管中半導(dǎo)體位置厚度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)正常樣品上整流二極管中半導(dǎo)體位置厚度要比失效樣品中的厚10 μm 左右。

2.6 綜合分析及糾正措施

對失效樣品進(jìn)行外觀及X-RAY 檢查，發(fā)現(xiàn)損毀的元件只有整流二極管D1 ～D4、D2 與D3 之間的連接引腳銅走線和保險管F1，經(jīng)過對產(chǎn)品電路圖進(jìn)行分析可知保險絲F1 應(yīng)為從屬失效，是在整流管短路后引起的大電流燒毀。

根據(jù)產(chǎn)品電路圖，對多只失效樣品中可能引起整流橋四只整流二極管均燒毀的關(guān)鍵元件（Q1、T1、NTC）進(jìn)行了檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。取正常樣品的整流二極管器件進(jìn)行參數(shù)測試（VF，VRRM,Ir），未發(fā)現(xiàn)有參數(shù)異?，F(xiàn)象。對正常樣品進(jìn)行溫升及浪涌試驗未發(fā)現(xiàn)異常。

對失效樣品及正常樣品上的整流二極管進(jìn)行切片分析，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有明顯的機(jī)械損傷，但發(fā)現(xiàn)失效樣品上的整流二極管均有溶坑，部分失效整流二極管半導(dǎo)體部分與連接引腳的界面處厚度不均勻，失效的整流二極管半導(dǎo)體厚度比正常樣品的整流二極管小10 μm 左右；

在同批次的其他失效樣品上的整流二極管中也發(fā)現(xiàn)有幾個整流二極管內(nèi)部有明顯溶坑，溶坑周圍有雞爪形裂痕，進(jìn)一步表征了金屬與半導(dǎo)體接觸部分事先存在微小缺陷點(diǎn)[6,7]。該缺陷不足以影響到參數(shù)出現(xiàn)明顯異常，但在使用老化中，內(nèi)部的該微小缺陷在溫度及電流的作用下成為應(yīng)力集中點(diǎn)，并且慢慢擴(kuò)散至器件內(nèi)部,最終出現(xiàn)宏觀裂紋。熱集中加速了裂紋的擴(kuò)展最終導(dǎo)致在該點(diǎn)位置出現(xiàn)短路，大電流產(chǎn)生大量熱而燒毀，局部高溫?zé)Y(jié)出現(xiàn)了溶坑。

此次所分析的整流二極管失效形式與器件本身存在的工藝缺陷有關(guān)。這種微小的缺陷點(diǎn)不足以使樣品參數(shù)出現(xiàn)異常，因此常規(guī)檢驗方法很難檢出問題。建議在來樣檢驗階段，對重點(diǎn)批次的樣品進(jìn)行高溫大電流試驗，讓樣品加速老化，再行電參數(shù)試驗及開封切片等試驗以確認(rèn)樣品是否存在缺陷。

3 結(jié)語

本文從一次有代表性的器件失效案例出發(fā)，逐步分析、詳細(xì)討論了整流二極管失效分析的流程和方法，推斷了整流二極管的失效機(jī)理，最終定位了造成器件失效的原因。該分析流程及方法對整流二極管制造工藝改進(jìn)、質(zhì)量控制及客返失效件的分析有一定的指導(dǎo)意義，也有助于整流二極管質(zhì)量可靠性的進(jìn)一步提高。