摘要：针对某武器系统研制过程中出现的2只DC/DC电源模块输出异常问题，通过制定失效分析方案探究其失效机理。对失效模块进行外观检查，各管脚均存在不同程度的绝缘子破裂现象；进行电性能和I-V特性曲线测试，并与合格样品进行对比，发现2只失效模块的Pin3与Pin5之间分别存在二极管特性异常和连接性异常现象，初步确定失效部位；通过X射线检测设备对模块内部基板和引线架进行检查，发现1#模块的2处VDMOS键合丝断裂，断面呈熔球状；进一步将模块物理开封进行内部检查，观察到1#模块的VDMOS芯片中间部位存在高温引起的变色现象，2#模块的管脚焊接点存在明显裂缝。对失效原因进行排查和分析，结果表明，电源端过电应力导致1#模块的VDMOS烧毁，焊接不良造成2#模块的输出异常。

关键词：DC/DC电源模块；失效分析；VDMOS烧毁；焊接不良

0 引言

DC/DC电源模块是混合集成电路系统中常见的基础器件，主要由光电耦合器、表面贴装式阻容、脉宽调制器(PWM)、功率转换器件、电感线圈及肖特基二极管等构成，可为各电子系统提供不同的供电电压，同时实现功率部分与控制部分良好的电气隔离。DC/DC具有转换效率高、可靠性高、功率密度高以及质量轻、体积小的特点[1-3],在海、陆、空军武器装备的电子控制系统中大量应用。DC/DC功率转换是基于功率半导体开关器件实现的，垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管(VDMOS)以其开关速度快、导通压降小、高频特性好、驱动电路简单等优点[4-5]被用作小功率电源模块中的功率转换器件。然而，如果DC/DC电源模块在整个电路系统的实际应用中，对输入端可能夹杂的浪涌电压或者瞬变能量考虑不够全面，电路前端没有抗浪涌设计或者设计过于简单，将会导致电源模块中VDMOS等功率开关器件击穿、烧毁，进而造成电源模块以及整个电路系统的功能失效。

本文针对某武器系统研制过程中出现的DC/DC电源模块失效现象，通过充分调研失效背景信息，合理制定失效分析方案，逐步探究其失效机理，最终明确了2只失效模块分别是由于输入端过电应力造成VDMOS烧毁以及焊接时未造成焊接点的重熔导致的失效。本文的工作可为DC/DC电源模块失效分析方法及失效机理研究提供参考，有助于提高DC/DC电源模块的使用可靠性。

1 失效背景信息

1.1 失效现象

某武器系统在研制阶段发生故障，通过故障排查定位，最终确定为某部件上某型DC/DC电源模块失效，具体表现为该部件按照《武器系统可靠性试验大纲》进行温度应力试验、电应力试验、发射冲击应力试验、飞行振动应力试验之后，DC/DC电源模块输出异常，导致部件无法正常工作，调查模块上装工艺记录及实验室记录，未发现导致模块失效的相关线索。

1.2 批次信息

通过物资管理系统查询该型电源模块的详细信息，其质量等级为H级，由中国电子科技集团公司第四十三研究所生产，生产批次为1402048、1511248,采用厚膜混合集成工艺，双列直插金属全密封外壳封装。该模块采用正激式脉宽调制原理设计，输出电压的取样信号经光耦隔离耦合后，与输入回路的电流采样信号同时调制控制器的脉冲宽度，形成双回路闭环控制，具有输出稳定、电磁兼容性好、可靠性高等特点，DC/DC电源模块结构及封装外形如图1所示。

1.3 筛选信息

对该型电源模块进行溯源，该批次产品生产完成之后按照产品详细规范100%进行质量一致性检验，检验结果符合规范要求并开具有产品合格证；该批器件在入物资库之前按照所标《电子元器件筛选通用技术要求》中混合集成电路筛选方法和程序进行二次筛选，筛选项目包括温度循环测试、颗粒碰撞噪声检测(PIND)试验、老炼试验、三温测试、密封性测试及最终的外观检查，试验和测试结果符合通用规范的要求，但是产品出厂筛选及二次筛选均未涉及抗浪涌相关试验及测试。

2 失效机理研究

2.1 制定失效分析方案

通过对电源模块批次信息、筛选信息、上装工艺记录、可靠性试验记录等失效背景信息的详细调查，电源模块所在部件在进行可靠性试验之后功能失效，因此温度应力、电应力、振动应力等试验应力可能是导致模块失效的主要原因，根据初步推断并结合该型模块的特点，本文制定针对性的失效分析方案探究其失效机理。为方便区分，将解焊下来的2只失效模块分别编号为1#和2#，为避免失效分析过程引入新的失效模式，失效分析过程遵循先外部后内部、先宏观后微观、先无损后破坏的原则[6]逐步进行分析，直至明确最终的失效部位和机理。

针对本文研究对象输出异常的失效模式，首先对失效模块进行外观检查，观察是否存在灰尘、沾污、引线损坏、封装裂缝、金属化迁移等现象，寻找可能导致失效的疑点；其次按照产品详细规范中电性能要求，对器件施加电应力进行电参数测试，将测试结果与合格样品进行对比分析，明确失效模式，推断失效机理，必要时进行各管脚之间电特性测试和附加电测试，以定位失效端口及验证环境条件与失效之间的联系；之后运用X射线检测、密封性检查、PIND、扫描电镜以及开封检查等技术手段定位失效部位，充分考虑并分析诱发故障的各种原因，最终明确失效机理。失效分析方案流程如图2所示。

2.2 失效分析实施

2.2.1 外观检查

使用体式显微镜对失效模块进行外观检查，排查失效模块是否存在结构变形、密封失效、引线损坏、封装裂缝等缺陷[7]。透过显微镜可看到模块表面残留三防漆且存在划痕，管脚有残留焊锡且存在弯曲、变形情况，1#模块空端(Pin1)玻璃绝缘子有破裂现象，2#模块输人地(Pin5)玻璃绝缘子有破裂现象,2只模块底部右边锡封处均有明显漏孔，其余管脚的玻璃绝缘子也存在不同程度的圆弧裂纹以及倾斜现象，表明2只模块受过外界机械应力，失效模块典型形貌如图3所示。

2.2.2 电参数测试

电参数测试是对失效模块进行准确分析的关键步骤[8]，按照产品规范要求对失效模块施加电应力，观测、分析其主要电参数的变化趋势，可为失效定位和分析方向提供依据。使用可编程直流电源对2只失效模块进行加电测试，设置输入电压为28V,空载状态下，借助数字多用表检测其输出电压，结果如下:1#样品输出电压为0.386V和-0.382V,模块正常输出电压为+15 V和-15V,测试结果超出正常范围;2#样品输出电压为15.02 V和-15.01V,电源电流为0.027A,功能正常，维持2s后，输出电压突变为0.00V,输入电流为0.00A，功能失效。借助专用电参数测试设备对2#样品的电参数进行测试，常温测试结果合格，2#模块常温测试结果如图4所示，说明该电源模块存在工作不稳定现象。

2.2.3-V 特性曲线测试

根据电参数测试的分析判断，为进一步定位失效部位，借助多功能数字万用表及I-V特性图示仪对失效模块各管脚之间的电特性(开路、短路等)进行测试分析9,并与合格样品进行对比。通过测试发现1#模块各端口未见异常开、短路情况，但是1#模块与合格样品的Pin5与Pin3之间存在差异，合格样品二极管特性测量值为0.540V，而1#模块为1.219V。

对2#模块各管脚之间的电特性进行测试，发现2#模块Pin3与Pin5之间呈异常开路特性，其他端口之间未发现开、短路现象。端口测试数据如表1所示。

2.2.4 X射线检查

电特性测试数据分析表明该型模块存在部分引脚开路现象，为排查是否存在制造工艺、包装运输等原因导致的键合失效0,使用X光检测系统对2只失效模块内部基板和引线架进行检查。1#模块内部2处MOS键合丝断裂，断面呈熔球状，其他未见异常，1#模块内部结构形貌如图5所示。2#模块内部形貌完整，Y方向检查模块的内部情况，未见内部烧毁现象，未见多余物，未见基板裂纹；模块内部芯片黏接轮廓清晰，键合引线结构完整，间距适中；Z方向检查模块，模块内部键合引线拱起形态良好，未见下垂现象，芯片与基板连接良好，2#模块内部结构形貌如图6所示。

2.2.5 粒子碰撞噪声检测

使用颗粒碰撞噪声检测仪根据GJB548B《微电子器件试验方法和程序》中方法2020的条件A对2只模块进行颗粒碰撞噪声检测试验，排查模块封装内部是否存在可动多余物。试验之前施加1000g冲击脉冲,冲击3次，模块内腔平均高度≥2.54mm,设置振动加速度为20g，频率为60Hz，持续3s，通过换能转换器检测噪声，检测结果为合格，说明样品内部无金属丝、硅渣、黏结材料等可动多余物。

2.2.6 密封性检查

为排查是否存在不良环境气氛引起的电源模块电性能不稳定及腐蚀开路问题，使用氟油检漏仪和氢质谱检漏仪根据GJB548B方法1014，对2只模块进行粗检漏和细检漏，粗检漏无连续气泡产生，细检漏漏率符合允许漏率要求，检漏结果合格，表明模块气密性良好。

2.2.7 开封检查

使用锉刀打磨模块外壳四周，并辅之以刀片和夹具，将样品外部封装去除，开封过程中不使产生的金属微粒等物质混入管壳内伤及样品而产生新的失效模式。将2只模块开封后在体式显微镜和金相显微镜下对内部结构进行检查，可以看出：1#模块芯片结构完整，未见裂纹或破损；模块内部2处VDMOS芯片中间部位有区域出现变色现象，2处VDMOS源极键合丝均熔断，断面部位呈明显熔球状；对电感、电阻、电容进行检查，未见裂纹或破损；键合引线拱起形态良好，未见异常弧度，未见引线交叉或断线，键合区金属化层未见划伤、空洞或跨接，金属化层附着性良好，未见脱皮、起泡，芯片标识清晰。1#模块内部结构形貌如图7所示。

2#模块Pin5管脚焊接点存在明显的裂缝，裂缝最大达到41.369μm，组装焊接对模块内部Pin5焊接点未造成重熔；模块Pin7管脚焊接点存在焊接不良现象，主要表现为黏结介质小于75%，焊接连接不满足最少270°的环绕填充或润湿要求；其他管脚焊接点未发现明显异常。对电感、电阻、电容、MOS、键合引线、芯片结构进行检查，未见裂纹、破损及明显异常情况，2#模块内部结构形貌如图8所示。

2.3 探究失效机理

2.3.1 1#模块失效机理

将1#模块物理开封，发现模块内部2处VDMOS芯片中间部位有局部变色现象，该变色为芯片局部温度过高引起的颜色变化，由此可得出这2只VDMOS在故障时存在异常大电流熔断栅极键合丝和芯片异常发热的情况，测量2只VDMOS芯片端口特性，发现2只VDMOS端口特性一致，D-S耐压降低至3V左右,G与D、S特性异常，VDMOS端口特性测试结果如图9所示。

图10为电源模块原理图，其中红圈为烧毁的2只VDMOS。控制芯片通过三极管控制对应的VDMOS芯片，控制变压器导通变换，2只VDMOS烧毁引起变压器能量传递中断，造成器件输出异常，功能失效。

1)负载电流异常

通过模块内部检查可看出，VDMOS源极键合丝为金丝，直径为22μm，长度大于1mm,计算得到单根键合丝可通过的电流为0.522A，单只VDMOS源极键合丝最大可通过的电流为1.566A；从原理图可看出在最大占空比工作时，2只VDMOS芯片开启时间均占一半，推算出电源最大输入电流为3.132A。查看模块内部脉宽调制器详细资料，当端口10采样电阻引起Q1导通时，会关断输出。测量采样电阻R1o在0.65Q左右，计算出触发电流为1.07A左右，脉宽调制器芯片Pin10端口会触发过流保护，因此可排除电流异常导致VDMOS烧毁进而造成模块失效，图11为PWM原理框图。

2)VDMOS控制信号异常

通过显微镜观察，VDMOS芯片表面未见栅极与源极电应力损伤的情况，将1#模块内部VDMOS栅极键合丝去掉，给模块加电测量对应的驱动控制信号，观察信号波形未见异常，1#模块控制信号波形如图12所示，说明控制芯片工作正常，可得出VDMOS烧毁并非控制信号或栅信号异常造成。

3)电源端电压异常

从VDMOS端口特性测量结果可看出,D-S间PN结反偏电压大大降低，存在严重损伤。通过调研该电源模块在电路中的具体应用，发现该电源模块为多个系统同时供电，且设计师在设计电路时，将器件手册中的温度范围理解为电源模块的工作环境温度。由于设计师对电源模块输入端能量的复杂性考虑不周，前端电路设计比较简单，输入端不可避免的瞬变能量或者浪涌电压会将主回路中的功率开关器件击穿烧毁，该型电源模块器件手册中的温度范围为内部基区温度，设计师误以为是工作环境温度，导致降额使用不够，在环境试验过程中出现失效，进而影响系统整体功能。

因此可推断出该电源模块输入端口存在异常电压浪涌或瞬变能量，超出了VDMOS芯片D-S端口耐压范围，电流发生突增，电流过高熔断了源极键合丝，且产生大量热量，造成D-S间PN损伤，耐压降低。所以，在电路设计和器件选型时应注意器件所处位置及与之相连接的电路状况，并充分考虑降额使用及工作温度方可避免此类问题发生。

2.3.2 2#模块失效机理

2#模块为偶然无输出失效，对该模块外观进行检查发现多个管脚玻璃绝缘子存在圆弧形裂纹，管脚均有倾斜现象，调研该电源模块在电路板上的焊接情况，发现只是管脚焊接在电路板上，未采取其他加固措施，且在环境试验过程中模块引脚与剪切力方向垂直，在振动的积累作用下导致引脚出现松动甚至破裂。对模块进行开封检查，发现Pin7管脚焊接点存在明显焊接工艺问题;Pin5焊接点与基板存在明显裂缝，裂缝最大达到41.369μm，借助探针对2#模块Pin5外管脚与内部金属导带之间的连接性进行测试，发现该处存在偶然开路现象，因此可得出2#模块失效是在组装焊接时对模块内部Pin5焊接点未造成重熔，导致模块在机械应力和温度应力的作用下，连接处于不稳定状态，接触电阻变大，甚至开路，从而导致模块输出时好时坏的失效现象。

3 结论

本文针对某系统研制过程中出现的电源模块失效问题，运用声、光、电、物理等各种技术手段分析其失效机理。通过常温电参数测试及I-V特性曲线测试，定位到Pin3与Pin5之间二极管特性异常和连接性异常；X射线检查发现1#模块的2处VDMOS键合丝断裂，断面呈熔球状;PIND检测未发现封装内部存在明显可动多余物，排除了制造工艺引起失效的可能；密封性检测排除了不良环境气氛引起的模块电性能不稳定及腐蚀开路问题；将器件开封进行内部检查，发现1#模块的VDMOS中间部位存在高温引起的变色现象，2#模块的管脚焊接点部位存在明显裂缝，进一步明确了失效部位；最后，对失效原因进行排查和分析，明确了电源端过电应力导致1#模块VDMOS烧毁及焊接不良造成2#模块输出异常的失效机理。加强电路系统前端抗过电应力设计及器件降额应用设计，并在电源模块上板之前进行电应力试验检验其可靠性,方可有效提升DC/DC电源模块使用可靠性，降低板级返修率。

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