电源适配器整流二极管失效分析流程及方法研究

李晓茜，胡春田，安淇雨

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

引言

整流二极管是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件，利用其单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变成单一方向的脉冲直流电，因此广泛应用于各种交流变直流的整流电路中。二极管的失效会直接导致整个电路的功能故障。某公司生产的电源适配器在用户端失效，整流二极管损毁。本文结合整流二极管的结构特点，对其失效分析的流程和方法展开探讨，最终确认了此次失效发生的真正原因。

1 结构特性和失效现象

整流二极管通常包含一个PN 结，从P 区和N 区分别接出的引线以及封装用的管壳。在电路中，电流只能从二极管的正极（P 区引出端）流入，负极（N 区引出端）流出[1]。二极管结构及典型整流电路原理详见图1。本次电源适配器的失效现象为无输出，整流桥中四只整流二极管均损毁，保险丝烧毁。

图1 二极管结构及典型整流电路原理图

2 失效分析流程和方法

在确认整流二极管失效后，使用一系列失效分析方法进行试验，以求结合理论分析最终确定该失效样品的失效机理及明确失效原因[2]。失效分析流程如图2 所示，从无损检查到破坏性分析逐一进行排查。本次失效分析选取同批次性能正常的适配器作为对比样品。

图2 失效分析流程图

2.1 外观检查

通过外观检查发现，失效样品上整流二极管（D1 ～D4）位置的印制线路连接处铜皮有部分裸露（如图3（a）），整流二极管引脚焊点焦黄，保险丝（F1）烧毁变黑（如图3（b）），其他位置未见异常。

图3 失效样品外观检查

2.2 X-Ray 透视检查

对失效样品和正常样品上的主要元器件进行了X-Ray 透视检查（图4）。发现失效样品的整流二极管均被损毁，保险丝也被烧毁，从形貌来看应为大电流引起。除此，还检查了可能引起整流桥四只整流二极管均烧毁的关键元件[3]，失效样品的Q1 开关管内部芯片的粘结未见异常，失效样品的热敏电阻 NTC 未见异常。

图4 X-Ray 透视图片

2.3 电路分析及故障模拟

分析电源适配器本身的电路图（图5），能导致整流电路出现大电流或者烧毁的可能原因有开关管Q1 短路、二极管正向电压过大或者反向电流过大、二极管本身结构异常、工作中散热不及时导致过热[4]，接下来一一排查。

图5 失效产品电路图

假设样品是由于Q1 开关管被击穿短路导致整流桥短路，大电流产生大量热量，整流二极管烧毁。对失效样品中的关键元件用万用表进行测量，Q1、 NTC 热敏电阻、变压器T1 均正常，但D1 ～D4 均短路，F1 开路。由此可知，失效样品不是由于Q1 开关管被击穿短路造成的。

假设整流二极管是由于严重工艺问题导致关键参数明显异常，如耐压不够、最大反向电流过大等造成的失效。选取正常样品的整流二极管进行参数测试。由表1 测试数据可知，样品的整流二极管参数正常，不存在严重工艺问题。

表1 同批次正常样品上整流二极管参数测试数据

接着，进行了故障模拟分析。考虑到样品可能是因结构设计问题导致工作时散热不畅，二极管过热老化烧毁。对正常样品进行了正常带载常温老化，带负载正常工作，并在D1 ～D4 上加热电偶进行8 h 温升试验，8 h后整流二极管表面的温度均为40 ℃左右。由整流二极管的热阻（50 ℃/W）及电源适配器的输入电压（（100～240）V，50/60 Hz，1.0 A）、输出功率（12 V/1 A）可知，整流二极管应该不是因为过热而引起的热烧毁。考虑到样品也可能是L-N 端浪涌电压导致样品击穿短路烧毁。对正常样品进行电浪涌试验验证[5]，对L-N 施加±1 kV、±2 kV 的浪涌电压未造成样品失效。由此可见，样品失效跟浪涌电压也无关。

2.4 关键元件破坏分析

对失效样品及正常样品的Q1 开关管去掉其封装层，对其内部进行显微镜对比检查（图6），失效样品上的Q1 表面无电流烧毁或电压击穿的现象,与正常样品上的Q1 结构比较无异常。进一步验证了失效不是由于Q1 开关管问题造成的。

图6 开封镜检照片

2.5 切片分析

对失效样品上的整流二极管D1 ～D4 进行切片分析（图7），可看到剖面都有明显的溶坑，部分整流二极管半导体部分与连接引脚的界面处厚度不均匀，部分整流二极管半导体内部有裂纹；正常样品上的D1 ～D4 切片界面中整流二极管半导体部分与连接引脚的界面处厚度均匀，界面平整，无明显机械损伤；

图7 切片分析照片

通过对失效样品上的D1 ～D4 与正常样品上的D1 ～D4 整流二极管中半导体位置厚度进行比较，发现正常样品上整流二极管中半导体位置厚度要比失效样品中的厚10 μm 左右。

2.6 综合分析及纠正措施

对失效样品进行外观及X-RAY 检查，发现损毁的元件只有整流二极管D1 ～D4、D2 与D3 之间的连接引脚铜走线和保险管F1，经过对产品电路图进行分析可知保险丝F1 应为从属失效，是在整流管短路后引起的大电流烧毁。

根据产品电路图，对多只失效样品中可能引起整流桥四只整流二极管均烧毁的关键元件（Q1、T1、NTC）进行了检查，均未发现异常。取正常样品的整流二极管器件进行参数测试（VF，VRRM,Ir），未发现有参数异常现象。对正常样品进行温升及浪涌试验未发现异常。

对失效样品及正常样品上的整流二极管进行切片分析，未发现内部有明显的机械损伤，但发现失效样品上的整流二极管均有溶坑，部分失效整流二极管半导体部分与连接引脚的界面处厚度不均匀，失效的整流二极管半导体厚度比正常样品的整流二极管小10 μm 左右；

在同批次的其他失效样品上的整流二极管中也发现有几个整流二极管内部有明显溶坑，溶坑周围有鸡爪形裂痕，进一步表征了金属与半导体接触部分事先存在微小缺陷点[6,7]。该缺陷不足以影响到参数出现明显异常，但在使用老化中，内部的该微小缺陷在温度及电流的作用下成为应力集中点，并且慢慢扩散至器件内部,最终出现宏观裂纹。热集中加速了裂纹的扩展最终导致在该点位置出现短路，大电流产生大量热而烧毁，局部高温烧结出现了溶坑。

此次所分析的整流二极管失效形式与器件本身存在的工艺缺陷有关。这种微小的缺陷点不足以使样品参数出现异常，因此常规检验方法很难检出问题。建议在来样检验阶段，对重点批次的样品进行高温大电流试验，让样品加速老化，再行电参数试验及开封切片等试验以确认样品是否存在缺陷。

3 结语

本文从一次有代表性的器件失效案例出发，逐步分析、详细讨论了整流二极管失效分析的流程和方法，推断了整流二极管的失效机理，最终定位了造成器件失效的原因。该分析流程及方法对整流二极管制造工艺改进、质量控制及客返失效件的分析有一定的指导意义，也有助于整流二极管质量可靠性的进一步提高。