電源適配器整流二極管失效分析流程及方法研究

李曉茜，胡春田，安淇雨

（深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055）

引言

整流二極管是一種將交流電能轉變為直流電能的半導體器件，利用其單向導電性，可以把方向交替變化的交流電變成單一方向的脈沖直流電，因此廣泛應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致整個電路的功能故障。某公司生產的電源適配器在用戶端失效，整流二極管損毀。本文結合整流二極管的結構特點，對其失效分析的流程和方法展開探討，最終確認了此次失效發生的真正原因。

1 結構特性和失效現象

整流二極管通常包含一個PN 結，從P 區和N 區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 區引出端）流入，負極（N 區引出端）流出[1]。二極管結構及典型整流電路原理詳見圖1。本次電源適配器的失效現象為無輸出，整流橋中四只整流二極管均損毀，保險絲燒毀。

圖1 二極管結構及典型整流電路原理圖

2 失效分析流程和方法

在確認整流二極管失效后，使用一系列失效分析方法進行試驗，以求結合理論分析最終確定該失效樣品的失效機理及明確失效原因[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

通過外觀檢查發現，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行了X-Ray 透視檢查（圖4）。發現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鍵元件[3]，失效樣品的Q1 開關管內部芯片的粘結未見異常，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），能導致整流電路出現大電流或者燒毀的可能原因有開關管Q1 短路、二極管正向電壓過大或者反向電流過大、二極管本身結構異常、工作中散熱不及時導致過熱[4]，接下來一一排查。

圖5 失效產品電路圖

假設樣品是由于Q1 開關管被擊穿短路導致整流橋短路，大電流產生大量熱量，整流二極管燒毀。對失效樣品中的關鍵元件用萬用表進行測量，Q1、 NTC 熱敏電阻、變壓器T1 均正常，但D1 ～D4 均短路，F1 開路。由此可知，失效樣品不是由于Q1 開關管被擊穿短路造成的。

假設整流二極管是由于嚴重工藝問題導致關鍵參數明顯異常，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行參數測試。由表1 測試數據可知，樣品的整流二極管參數正常，不存在嚴重工藝問題。

表1 同批次正常樣品上整流二極管參數測試數據

接著，進行了故障模擬分析。考慮到樣品可能是因結構設計問題導致工作時散熱不暢，二極管過熱老化燒毀。對正常樣品進行了正常帶載常溫老化，帶負載正常工作，并在D1 ～D4 上加熱電偶進行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，整流二極管應該不是因為過熱而引起的熱燒毀。考慮到樣品也可能是L-N 端浪涌電壓導致樣品擊穿短路燒毀。對正常樣品進行電浪涌試驗驗證[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。

2.4 關鍵元件破壞分析

對失效樣品及正常樣品的Q1 開關管去掉其封裝層，對其內部進行顯微鏡對比檢查（圖6），失效樣品上的Q1 表面無電流燒毀或電壓擊穿的現象,與正常樣品上的Q1 結構比較無異常。進一步驗證了失效不是由于Q1 開關管問題造成的。

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體內部有裂紋；正常樣品上的D1 ～D4 切片界面中整流二極管半導體部分與連接引腳的界面處厚度均勻，界面平整，無明顯機械損傷；

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 整流二極管中半導體位置厚度進行比較，發現正常樣品上整流二極管中半導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

對失效樣品進行外觀及X-RAY 檢查，發現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，經過對產品電路圖進行分析可知保險絲F1 應為從屬失效，是在整流管短路后引起的大電流燒毀。

根據產品電路圖，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鍵元件（Q1、T1、NTC）進行了檢查，均未發現異常。取正常樣品的整流二極管器件進行參數測試（VF，VRRM,Ir），未發現有參數異常現象。對正常樣品進行溫升及浪涌試驗未發現異常。

對失效樣品及正常樣品上的整流二極管進行切片分析，未發現內部有明顯的機械損傷，但發現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現有幾個整流二極管內部有明顯溶坑，溶坑周圍有雞爪形裂痕，進一步表征了金屬與半導體接觸部分事先存在微小缺陷點[6,7]。該缺陷不足以影響到參數出現明顯異常，但在使用老化中，內部的該微小缺陷在溫度及電流的作用下成為應力集中點，并且慢慢擴散至器件內部,最終出現宏觀裂紋。熱集中加速了裂紋的擴展最終導致在該點位置出現短路，大電流產生大量熱而燒毀，局部高溫燒結出現了溶坑。

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。這種微小的缺陷點不足以使樣品參數出現異常，因此常規檢驗方法很難檢出問題。建議在來樣檢驗階段，對重點批次的樣品進行高溫大電流試驗，讓樣品加速老化，再行電參數試驗及開封切片等試驗以確認樣品是否存在缺陷。

3 結語

本文從一次有代表性的器件失效案例出發，逐步分析、詳細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、質量控制及客返失效件的分析有一定的指導意義，也有助于整流二極管質量可靠性的進一步提高。