整流桥性能提升的可靠性研究
0 引言
整流桥是将桥式整流的4 个二极管封装一起，只引出4 个引脚，是具有整流作用的电子器件，普遍应用于电子产品，图1 是整流桥原理图。它利用二极管正向导通、反向截止的原理，在每个工作周期内只允许2 个二极管工作，实现对交流电路的电流单向流通，并使用单向导通功能实现将交流电转换成单向的直流电压。本文从整流桥失效机理、失效因素等方面进行分析，其整改方案思路可以为同类型整流桥厂家失效分析整改提供借鉴和参考。
1 事件背景
随着全球变暖，各国家、地区出现气候极端现象越加普遍，节能减排成为全球共同努力的趋势。更加节能、高效的变频空调越来越受到广大消费者的青睐，空调用整流桥引入X 厂家A 型号整流桥后，用户反馈空调不工作问题突出，表现为外机电器盒不通电，导致内外机不能进行通信，核实确认为整流桥失效导致。新国标机型的切换能效提高，导致变频机生产逐渐上量，功率器件整流桥失效越来越多，整流桥可靠性问题急需解决。
2 整流桥失效原因及失效机理分析
2.1 整流桥外观核实未发现机械损伤异常现象。
2.2 万用表测试整流桥二极管存在短路，整流桥二极管晶元（D1 ～ D4）失效位置不集中。使用特性曲线测试仪进行检测，观察短态的双向正反向特性，发现整流桥二极管晶元存在短路图形；
图2 左图正向电压（VF）：0.5[V]，2.0[A]/Div；
图2 右图方向漏电流（IR）：200[V]，10[μ]/Div；
图3 从上到下依次为：D1( ＋‐～ )、D2( ＋‐～ )、
D3( ～‐－ )、D4( ～‐－ )；
图2 整流桥二极管晶元特性测试图
图3 整流桥内部电路结构
2.3 整流桥二极管晶元（D1 ～ D4）失效位置不集中。X-ray 核实整流桥内部焊接情况，内部有过电损伤点（图4）。
图4 X-ray核实整流桥内部情况
2.4 开封观察分析
从芯片破坏照片看，过电压击穿引起的可能性较大。电流损坏发生在芯片的中心部位呈圆环带状；电压损坏发生在芯片的边缘位置呈斑点状。实际的损坏还会造成裂痕，层状剥离等更复杂的现象，仅从整流桥单体无法确定损坏原因（图5）。
图5 整流桥开封观察
二极管芯片的熔痕是浪涌电压造成芯片损坏短路后瞬间流过大电流剧烈发热所造成的。熔痕本身属于二次被害，与损坏原因没有直接关系，可以根据熔痕的位置（= 最初损坏的位置）来推测损坏的原因。
3 整流桥可靠性分析
3.1 结构可靠性
1）布点实测：X 厂家与Y 厂家结构不同布点位置也存在不同，本体芯片温度测试布点在芯片上，+/- 引脚间IF=25 A、时间180 s、各chip 上的本体温度(Tc)、引脚温度(Tl) 进行测试（如图6 ～ 7）。
图6 Y厂家布点位置
图7 X厂家布点位置
引脚温度测试布点在引出端位置一致（如图8）。
图8 引脚温度测试布点位置
图9 实测温度值IF=25 A
2）软件模拟：参考实测的本体温度（Tc），引脚温度（Tl），设定电流25 A、实施X 厂家/Y 厂家的封装内部热仿真，如图10。
图10 5S封装热模拟IF=25 A
结合以上结构可靠性布点实测和软件模拟，得出Y厂家Chip 温度超过150 ℃，X 厂家ATjMAX=150 ℃。从模拟结果可以确认，Y 厂家2 脚、3 脚的实测温度高是由于离芯片的距离非常近的事实引起的。一般的基板的玻璃化转变温度为130 ～ 150 ℃。Y 厂家铜架连接方式（端子到芯片）为棒状，铜架连接的形状非常细，在实际生产中容易造成错位，影响可靠性，因此推测非常不稳定，铜的成分比较少，影响散热效果、导热特性不均匀。从结构散热可靠性分析，X 厂家优于Y 厂家整流桥结构。
3.2 性能参数可靠性
1）使用万用表测试PN、阻抗，QT2 测试反向极限耐压，发现Y 厂家极限耐压比X 厂家极限耐压高500 V以上。
2）正向浪涌电流IFSM 为电源接通瞬间流入的峰值电流，在频率为50 Hz 条件下，测试X、Y 厂家IFSM 值所示，技术参数对比发现，Y 厂家IFSM 值比X 厂家高40 A（如表2）。
同此使用IFSM值计算电流平方与时间的乘积I2 * T，Y 厂家比X 厂家高。I2 * T 的参数通过制定Tp 下最大容许电流值计算出来，公式如下：
I2 * T =（IFSM/ √ 2）*Tp
其中IFSM 单位：A；Tp 单位：s。
4 整流桥优化方案
通过对比各厂家整流器性能参数，发现X 厂家抗冲击能力比Y 厂家弱，且多个抗冲击性能测试数值低，需要从器件单体本身增加单品桥堆的可靠性。
1）提升整流桥二极管耐压等级，按照现有使用Y厂家编码同此进行提升，从而提升整流桥极限耐压值，使X 厂家极限耐压值逼近Y 厂家要求；
2）提升IFSM 抗浪涌冲击能力，增强整流桥整体抗冲击能力；
3）优化后的整流桥，从各方面性能参数提升，并结合其特有结构优势，综合性能会有整体提升。
5 整改方案可靠性验证
5.1 新品晶元面积增加，骨架相同，抗雷击、浪涌能力提升，IFSM 抗浪涌电流能力提升。具体新旧制品对比如表3 所示。
5.2 常规参数对比
正向电压VF 测试结果： 新电元波动范围0.963～1.009 V，平均值0.977 V，新制品0.924～0.938 V，平均值0.972 V，新旧制品一致；漏电流测试结果：新制品整流桥漏电流整体平均值小于旧制品0.020 μA。
5.3 抗浪涌电流能力IFSM：新制品对比旧制品测试数据如下，新制品：340 ～ 370 A、旧制品：240 ～ 260 A（如图11）。
图11 X厂家整流桥新、旧制品IFSM测试
5.4 抗雷击浪涌能力：新制品最大约为21 kV，旧制品约为15 kV（如图12），有效提高数千伏级抗雷击能力。
5.5 整流桥新品ESD水平测试
● 机械模式：机械模式接触放电测试，测试条件0 Ω，330 pF 测试，测试有近300 V 提升；
● 人体模式：人体模式接触放电测试，测试条件2 kΩ，200 pF 测试， 测试X厂家测试电压整改后（11 187.5 V） 比整改前（9 000 V） 提升24.31%；Y厂家样品，测试平均值为16 500 V（如图13）。
图12 X厂家整流桥新旧制品抗雷击浪涌测试
图13 整流桥ESD测试
使用QT2 测试X 厂家整流桥ESD 测试前后特性曲线（100 V/DIV）如图14 及图15。
图14 ESD测试前正常品
图15 ESD测试前失效状态
X 厂家整流桥新旧物料整改方案及整改效果测试对比总结：整流桥新品抗浪涌电流能力及抗雷击浪涌能力有显著提升，抗静电水平也有显著提升，新品进一步提高物料在实际应用中工作可靠性，应用失效故障率进一步下降（如表4）。
6 整流桥失效整改总结及意义
本文结合大量失效品分析，对整流桥失效原因、失效机理分析及结构可靠性等多方面进行核实，经过对整流桥结构、性能参数可靠性对比论证，发现需从器件本身进行整改。通过对比分析方法，优化整流桥可靠性数据，从器件本身提高器件的整体可靠性，有良好借鉴作用。在数据分析过程中，存在不同国家电网频率不同的现象，对于测试的数据也存在差异性，不同情况下测试的值参考对比的准确性存在不足，因此测试值需要在同等情况下进行对比。器件在不同环境下使用的故障率是否也存在不同，还有待于继续研究。通过此次整改，对器件可靠性进行详细有效的测试评估，通过与不同厂家对比分析结构、性能参数，提炼不同厂家结构优势、参数优势，推动优化器件整体性能，以提高产品的结构可靠性。
参考文献：
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[3] 孙娜琳,孙雅姝,李柬张.整流二极管技术及在各领域的应用[J].产业与科技论坛,2011(23):70-71.
（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年9月期）
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