功率开关管(这里主要说MOSFET和IGBT)的损坏,总结下来有六大因素:
1)器件的设计问题
2)器件的批产质量与一致性问题
3)PCBA的原理图设计问题
4)PCBA的Layout布线问题
5)PCBA的生产工艺问题
6)设备现场的应力超限问题
分别简单说明下:
1)器件的设计问题
器件的版图和工艺设计师团队成员,跟咱们做PCBA设计的团队没啥区别,也是草台班子,我们会犯错,难道他们不会?
即便不犯错,因为种种限制,不得不在某些方进行权衡取舍,舍掉的部分性能是不是也容易发生问题,万一你用的就是这部分性能呢。我也没少见他们时不时升级改版的。
早些年间,我们用的都是大厂的器件,售卖前经过了很严格全面的测试考验,所以大家有了一个不恰当的认知,就是半导体器件就是可靠的,其实不是。
2)器件的批产质量与一致性问题
器件的各部分也是有材料和工艺组成的,因此离散性就不可避免,而且服从正态分布或对数正态正态分布。假设有1‰的故障隐患概率的器件(因为生产工艺问题导致)流入贵司,这也检查不出来,因为这个检查是破坏性的,如耐压。没检查却进入了产品,在用户现场击穿损坏了,已经没有条件在故障器件再做验证,而在其余的999‰中随便抽样,还能抽得到有隐患的器件吗?抽不到耐压能力弱的,则怎么做耐压实验都不能再现那个故障,这时候会不会束手无策、一头雾水、茫然无措了。
下面给个办法,可以在剩余的999‰物料中,即便没有抽到1‰概率隐患器件,也能排查出是否是器件批产概率性的方法。
首先抽样n只,数量根据置信度置信区间确定,不想太严格的话,大概预估个50只也是可以凑合用的(总之不能低于30只就行了)。然后加入你想研究的那个破坏性应力,逐步把每只管子都给破坏掉,得到每只管子的极限临界应力,以耐压为例,记为Vi,然后做统计计算。
接着分析客户现场的应力并模拟实测,制造出现场最大的可能应力,记为Vmax,然后计算
Vmax = μ – k*σ
求出k的值,该k的值对应了标准正态分布X~(0,1)中的kσ,查阅正态分布表,得出<Vmax的部分的分布概率,就是该器件在产品中使用时因为器件工艺一致性问题导致的损坏概率,如果实际产品的损坏低于这个比例,就别四处找原因了,要么换厂家换型号要么认命即可。
3)PCBA的原理图设计问题
这部分大家自我反省自我批评的已经够多的了,就不赘述了。
4)PCBA的Layout布线问题
这部分得特别小心,因为功率开关管开关快,电流大,导线上会在开关瞬间因为走线电感(趋肤效应)导致产生反向电动势,如果布线没注意,该导线上的反向电动势电压叠加到ge、gs等控制端,则有击穿的风险。高压开关管经常都有4个分别是g c e k引脚,gk为控制电压输入,但实测ke其实是通的,它是在器件内就把layout布线反向电动势可能产生的问题尽量帮你规避,也是因为高压大电流开关管这个问题会更严重,所以他会特别注意。低压开关管没那么那么严重,所以被忽视了。
具体要查布线,尤其是g极输入信号电平相对于的Gnd与管子e极(或MOSFET的s极)二者之间的走线电感。
5)PCBA的生产工艺问题
这个有多种原因,要结合工艺工程逐一排查。
比如尖峰电压击穿,问题原因有四类:
- 热插拔:热插拔会产生尖峰电压,调试中常见,可测试确认;
- 感性负载断开瞬间的反向电动势叠加;
- 漏电(开关电源、电烙铁、示波器、电动工具几种仪器工具中,gnd与PE相通,但PE有比较差的情况容易发生)。
- ESD:比较随机,也很难查,放在最后,做排除法,前面的确定都不是就赖在他头上。
再比如灌封,电源模块常用,二组分胶的融合凝固过程,会产生大量的热,易导致器件内部分层。
6)设备现场的应力超限问题
现场应力超标,就得充分排查现场最坏情况了,这个也是大家擅长的,就不多说了。