二級管與開關管在H形電路中的失效關系

袁錕

（中國振華集團永光電子有限公司 貴州貴陽 550018）

二級管與開關管在H形電路中的失效關系

袁錕

（中國振華集團永光電子有限公司 貴州貴陽 550018）

H形電路是電路設計師廣泛采用的一種電路設計模式，在H形電路中開關管與二極管同時失效是其最典型的失效模式，本文主要介紹了該種失效的原因及原理。

簡介

故障現象為T1#（IGBT）與D3#（開關二極管）同時失效。

器件失效情況判斷：

（1）首先使用方排除了接反或器件自身反級導致電路失效的可能性。

（2）產品替換后電路恢復正常工作，排除電路中其他器件影響導致這兩只產品的失效。

（3）是否器件選型耐壓余量不足導致器件擊穿失效，兩只失效產品的電性能參數：IGBT的VCE≥600V；二極管管的VRRM≥600V。標稱反向耐壓值降額系數達0.42，其耐壓余量完全可以保證電源電壓波動不會導致器件被擊穿。

1 機理分析

1.1 外觀檢查

在20倍光學顯微鏡無異常。

1.2 X-RAY內部透視

透視觀察發現管芯位置處存在黑色異常點將電極兩端連接起來，該異常點可能是管芯兩端的焊料流出跨過管芯臺面連接或管芯承受過功率沖擊導致管芯內部燒毀密度改變。

IGBT透視未見異常。

1.3 曲線掃描呈短路狀態

1.4 解剖分析

1.4.1 二極管解剖分析

去除二極管表面材料后。通過高倍顯微鏡觀察，發現鍵合用焊料二次熔化，熔化的焊料橫跨過管芯臺面連到兩端電極上。

分析溢料成分 Cu（44.2％）、Pb（44.2％）、Sn（8.4％）、Ag（3.2％）。Cu 元素是失效樣品的銅釘頭帶來的，焊料成分為PbSnAg，受設備影響，無法精確檢測出焊料中各元素的含量比例，也就無法判斷出其焊料的熔化溫度，但一般焊料熔化溫度要保證在230℃以上，因此我們判斷器件曾經遭到大功率沖擊，其失效是由于發熱量過大導致管芯與電極焊接處的焊料二次熔化，熔化的焊料跨過管芯臺面將電極兩端短路。

1.4.2 IGBT解剖分析

去掉IGBT表面塑封體，發現產品在發射極上以一顆較粗的鋁絲作為E級內引線，以一顆較細的鋁絲作為G級內引線，管芯尺寸4.0mm×3.2mm，通過高倍顯微鏡觀察，在E級表面觀察到過熱擊穿點同時在過熱擊穿位置發現塑封料碳化現象，我們認為熱擊穿點和塑封料碳化是因為失效產品曾經發生過過流，過流產生了高溫在管芯表面形成了熱擊穿點并將熱擊穿點周圍的塑封料碳化，該熱擊穿點會引起器件CE級短路，進一步觀察該熱擊穿點未觀察到熱擊穿點向E級引腳根部移動的現象和熔坑，判斷該異常雖存在過流、過功率但持續時間不長。但E極的熱擊穿點并不會導致失效樣品的GE和GC極短路（在前面的“2.3特性曲線測試”中曾檢測到樣品的GE和GC極短路），為找到失效樣品GE和GC極短路的原因，我們進一步仔細觀察失效樣品的管芯表面在管芯的G級上靠管芯邊緣處發現一條細微的裂縫，該裂縫是導致器件的GC和GE級短路的原因，我們分析該裂縫產生的原因是由于管芯承受大功率沖擊時溫度急速上升而銅電極與管芯的熱膨脹系數不匹配導致管芯被拉裂，從而破壞了氧化物絕緣層所致。

2 分析結論

2.1 思路分析

通過以上綜合分析，并聯系失效樣品的工作電原理圖，可以認為：T1#IGBT和D3#開關二級管都是由于過流導致失效，且開關管的失效與遭到反向大功率沖擊有關，那么我們判斷異常電流的走向應為VCC250V電源+、T1、D3、R1、GND，電源并未通過變壓器負載（如圖 1 所示），顯然D3開關管型開關二級管失去了反向阻斷特性，使VCC電源沒有經過變壓器負載而是直接對地形成了極大的短路電流，該電流導致T1#IGBT和D3#開關二級管損壞失效。

圖1 失效電流回路

2.2 確定圖1中電流失效回路的產生

（1）T1#IGBT和D3#開關二級管同時擊穿失效。

通常兩只器件同時出現擊穿電壓跌落的可能性極小，而且T1#IGBT擊穿電壓跌落甚至擊穿不會對D3#開關二級管產生損害，更不會導致二極管擊穿短路，因此可以認為這種兩只器件同時失效的概率極低，可以排除該失效假設。

（2）D3二極管擊穿失效。

根據工作電原理圖，如果D3擊穿電壓退化跌落甚至擊穿短路，那么電流的走向就從250V電源+、T1、D3、R1到GND，電源不通過變壓器負載，形成電源對地大電流，在該電路回路中的所有器件都是受損對象，依照短板效應：“誰最弱就先燒誰。”T1位的IGBT器件處于該大電流回路中，過流燒毀失效與D3位的開關二級管擊穿電壓退化跌落或擊穿短路失效具有因果關系，因此可以認為該次失效模式是由于D3開關管型開關二級管擊穿失效引起。

2.3 二級管擊穿失效的原因分析

D3開關管型開關二級管擊穿失效大概存在兩種可能性：

（1）正常的工作電源VCC（250V）電壓出現了升高異常，其升高的電壓超過了開關管的反向耐壓電壓，使器件從高阻態轉變為低阻態，從而產生大電流燒毀器件；

（2）該只開關二極管電參數發生退化，反向耐壓參數退化降低，當低于工作電源電壓250V時，器件從高阻態轉變為低阻態，從而產生大電流燒毀器件。

通過分析我們認為：因為二極管D1具有續流箝位作用，所以可以排除D3二極管的擊穿是由于變壓器感生電動勢升高導致的可能性。開關管型開關二極管擊穿電壓參數退化應該是該次失效的主要原因。

3 結束語

通過以上分析可以認為H電路中IGBT和開關二極管同時失效的主要原因是由于開關管器件失效引起，屬主要矛盾，由于開關管器件失效引起T1位的IGBT過流燒毀，所以T1位IGBT失效為被動失效，是次要矛盾。

TN722

A

1004-7344（2016）23-0331-01

2016-7-21