变频电源开关芯片炸裂的失效分析与可靠性研究

  作者：王少辉，项永金 （格力电器（合肥）有限公司，合肥 230088）

  ：随着科技的发展，电器设备使用愈来愈普遍，功能越来越强大，体积也慢慢变得小，对电源模块的要求持续不断的增加。开关电源具有效率高、成本低及体积小的特点，在电气设备中获得了广泛的应用。经分析，开关电源电路多个器件失效主要是电路中高压瓷片电容可靠性差，导致开关芯片失效。本文通过增加瓷片电容材料的厚度提高其耐压性能和其他性能，使产品各项性能有效提升，满足电路设计需求，减少售后失效。

  开关电源电路凭借良好的性能得到了广泛应用，作为开关电源电路的重要组成器件，开关芯片决定了开关电源的质量。2019 年后，由于空调高端智能化、绿色节能化、友好交互化，空调机型也在一直在变化，对电源设计的基本要求更高，电源电路设计也慢慢变得多样化、复杂化；电源电路主题设计也在一直在变化，以前开关电源只是用在变频外机，使用量较少，现开关电源电路已用来生产的全部的产品。随开关电源电路的大量使用，因开关芯片导致的售后失效也呈逐年上升趋势，每年因开关芯片失效导致控制器失效的维修成本不断上升。

  变频空调外机开关电源SK 开关芯片在售后出现多单失效，核实发现高频变压器[1]输入端连接的高压瓷片电容有多单出现炸裂，未炸裂的瓷片电容测试也有短路失效。外观检查发现，连接开关电源芯片1 脚的3 个限流电阻、瓷片电容均出现大电流烧坏的现象, 如图1 所示。因变频外机板整个开关电源电路器件烧坏，导致外机不能工作，严重影响产品质量及品牌形象。

  锁定开关芯片失效及电阻烧毁与高压瓷片电容有关, 经对高压瓷片电容（型号：10 pF±5%/1 000 V）进行确认均为B 厂家生产，经核实该型号电容的生产为A（国外）和B（国产）两个厂家，分析表明，电容本身存在缺陷导致内部短路的可能性较大。

  失效控制器主板集中在2018—2019 年生产的机器，A、B 厂家此编码瓷片电容一直在使用，2019 年总使用量差不多60 多万，B 厂家售后没再次出现失效，售后瓷片电容失效全部是A 厂家，分析表明，瓷片电容本身质量异常导致开关芯片失效质量异常可能性较大。

  瓷片电容介质耐压很高，一般在电路中很难击穿失效，对正常品瓷片电容测试极限耐压，测试50PCS 全数通过3 倍标称电压3 000 V，没再次出现击穿失效。查看近几年复核数据，均无单独瓷片电容故障。统计瓷片电容各厂家供货情况，B 厂家主要在2018 年开始批量使用。各厂家使用数量见表1。

  分析表明，开关芯片失效及电阻烧毁与为电容本身存在缺陷导致内部短路有关。开关芯片电路及开关芯片失效分析暂未发现异常，此次开关电源电路器件烧坏为B 厂家瓷片电容导致。

  经查，此电容使用商用、家用、出口机器（较多），包括洗衣机，电路主要与电阻并联于开关芯片D 漏极与SOCP 过流电路保护端，搭配SK 厂家开关芯片。

  其他厂家开关芯片没有搭配瓷片电容，对比SK 厂家3 款开关芯片外围电路，D-S 极间串联均为10 pF 瓷片电容＋ 10 Ω 贴片电阻，电路无差异。

  根据售后失效故障现象，主要为瓷片电容炸裂、限流电阻烧坏、开关电源芯片炸裂或烧坏[2]，分析为开关电源芯片第1 脚过流信号输入脚连接限流电阻和瓷片电容的电路有大电流进入，导致器件的损坏，且经检查器件焊接无异常。大电流产生的可能性如表3 所示。

  B 厂家高压瓷片电容主要故障为炸裂，本体上有炸裂纹，同时陶瓷芯片介质已经击穿，击穿位置位于陶瓷中部位置，焊接没问题。失效图片如图2 所示。

  瓷片电容本体炸开，能够正常的看到明显的孔洞。产品的击穿位置都在电容器芯片内部，而且击穿位置烧痕明显，材料出现明显碳化，这是由于电容器耐压失效时有大电流通过出现的现象，如图3 所示。

  开关芯片电路原理如图4 所示，高压瓷片电容C123 是和R57 贴片电阻串联形成了“RC 阻容模块”，然后和电源芯片的MOSFETD-S 两极并联，用于改善MOSFET在高速开关时的EMC 性能。

  用示波器检测控制器通电时高压瓷片电容两端电压，该高压瓷片电容两端正常工作电压在405 V 左右，当压缩机升频到70 Hz 时，电压最高在502 V 左右，远低于1 000 V 工作电压，如图5 所示。

  经模拟验证，将B 厂家高压瓷片电容两端直接短路，并通电测试，出现开关电源芯片炸裂和限流电阻烧坏的情况，分析开关芯片失效与高压瓷片电容质量有关，如图6 所示。

  为模拟高压瓷片电容漏电的情况，在高压瓷片电容两端分别并联151 kΩ、94 kΩ、47 kΩ、26 kΩ、2.5 kΩ五种电阻进行通电验证，发现47 kΩ 电阻在压缩机频率达到70 Hz 后，运行2 min 出现电阻表面烧坏发黑的情况，2.5 kΩ 电阻在压缩机达到70 Hz 频率后，就出现电阻烧坏的情况，如图7 所示，同时限流电流也烧坏，与售后故障相似，但开关电源芯片已保护，并未出现损坏。即是在限流电阻承受大电流缓慢烧坏的过程中，开关电源芯片都能够及时保护，进一步证明售后故障现象应该是瞬间高压冲击短路产生大电流导致。

  对电路工作原理的分析以及结合模拟验证的情况，锁定原因为高压瓷片电容先短路后，使直流电路P 点电流经过，并导致限流电阻烧坏、开关电源芯片炸裂。

  对2 个厂家瓷片电容作对比分析，除本体尺寸外，其他无明显差异，见表5。B 厂家的陶瓷芯片比A 厂家薄0.5 mm，但直径大0.9 mm。在此种情况下容易因生产过程受力导致裂纹，引起耐压不足，B 厂家芯片厚度为0.3 mm，A 厂家芯片厚度为0.8 mm；其余极限耐压、焊接质量等无异常。

  1）验证采用50 V 的独石电容，没能击穿复现故障，单独测试独石电容的极限耐压能够达到1.3 kV 左右（测试阻抗只有20 kΩ 左右），远超该电路上的电压（极限500 V 左右）；

  2）对B 和A 厂家的瓷片电容来测试，其中B 厂家出现4 pcs 击穿的情况，单独击穿电容测试绝缘电阻只有100 kΩ 级。

  B 厂家电容器属于NPO 温度特性的电容器，电容器的芯片尺寸为：芯片厚度0.3 mm，芯片直径5 mm；一般的情况下电容器成品破坏电压为6 kV 左右。但是该电容器芯片使用的是国产材料，受限于国产材料纯度不高、均匀性不好、工艺参数波动较大等因素，导致国产电容器芯片余量范围不稳定，可靠性存在一定隐患。该规格的国产NPO 材质的芯片耐压范围在（3~6）kV，进口（A 厂家）NPO 材质芯片耐压范围在（5~6）kV，进口芯片的质量稳定性和一致性较好。国产芯片要想达到进口芯片相同的质量，就必须增大安全系数，加大芯片的尺寸，增加芯片厚度将减少芯片结构性缺陷，提升芯片的耐压等级和质量稳定性。增加尺寸后，电容器耐压范围能提高到（5~8）kV，可有效提升电容器耐压性能和可靠性。

  1）提升瓷片电容耐压国产瓷片电容极限耐压在（3~5）kV，提升达到（5~6）kV。

  分析发现B 厂家的电容芯片相对较薄且面积大，在制程中较容易产生受损裂纹缺陷，导致耐压能力降低甚至击穿，增大瓷片电容尺寸。

  新制品规格书确认电容芯片厚度已更改，电容极限耐压提升到（5~6）kV，且各项性能明显提升。分析测试表明，新制品能达到标称电压2 kV，极限电压达到（10~12）kV，性能测试数据对比A 厂家无差异。新制品性能测试数据如表6 所示。

  通过产品实际应用过程中的问题反馈，本文从开关芯片的失效机理、失效因素、应用电路、器件可靠性等多方面做多元化的分析，对瓷片电容单体物料各项性能来优化，明显提高MOSFET在高速开关时的EMC 性能。为了能够更好的保证开关电源电路的可靠性，通过提高瓷片电容的极限耐压及各项性能参数，解决了器件在实际应用中可靠性的问题，经过实际应用取得显著效果。