开关三极管主要失效分析

三极管开关损耗计算
摘要：
1.三极管开关的基本概念
2.三极管开关的损耗类型
3.计算三极管开关损耗的方法
4.总结
正文：
一、三极管开关的基本概念
三极管（Transistor）是一种常见的半导体元器件，广泛应用于放大、开关、调制、稳压等电路。

在数字电路和模拟电路中，三极管作为开关元件，可以实现对电流的控制，从而实现对电路的控制。

二、三极管开关的损耗类型
三极管开关的损耗主要包括以下两种：
1.导通损耗：当三极管处于导通状态时，由于电流流过三极管，会产生一定的功率损耗，这种损耗称为导通损耗。

2.截止损耗：当三极管处于截止状态时，虽然电流为零，但由于三极管的结构特点，仍然会有一定的漏电流流过，从而产生一定的功率损耗，这种损耗称为截止损耗。

三、计算三极管开关损耗的方法
计算三极管开关损耗的方法通常有两种：
1.欧姆定律法：对于直流电路，可以使用欧姆定律来计算三极管的导通损
耗。

具体公式为：P_dson = (V_ce * I_c)^2 / R_ce，其中，V_ce 为集电极与发射极之间的电压，I_c 为集电极电流，R_ce 为集电极与发射极之间的电阻。

2.折合方法：对于交流电路，需要考虑三极管的截止损耗。

具体方法是将三极管的截止损耗折合到等效电阻上，然后使用欧姆定律计算损耗。

具体公式为：P_dson = (V_ce * I_c)^2 / R_ce，其中，V_ce 为集电极与发射极之间的电压的有效值，I_c 为集电极电流的有效值，R_ce 为集电极与发射极之间的等效电阻。

四、总结
三极管开关在电路中起着重要作用，其损耗的计算对于优化电路性能具有重要意义。

小贴士：开关电源中功率MOSFET管损坏模式及分
析
本文将通过功率MOSFET管的工作特性，结合失效分析图片中不同的损坏形态，系统地分析过电流损坏和过电压损坏。

同时根据损坏位置不同，分析功率MOSFET管的失效发生在开通的过程中或发生在关断的过程中，从而为设计工程师提供一些依据，找到系统设计中的问题，提高电子系统的可靠性。

 目前，功率MOSFET管广泛地应用于开关电源系统及其他功率电子电路中。

实际应用中，特别是在一些极端的边界条件下，如系统的输出短路及过载测试、输入过电压测试以及动态的老化测试中，功率MOSFET管有时候会发生失效损坏。

工程师将损坏的功率MOSFET管送到半导体原厂做失效分析后，分析报告的结论通常是过电性应力EOS，却无法判断是什幺原因导致MOSFET的损坏。

 1 过电压和过电流测试电路
 过电压测试的电路图如图1(a)所示，选用40 V的功率MOSFET：AON6240，DFN5?鄢6封装。

通过开关来控制，将60 V的电压直接加到AON6240的D极和S极，熔丝用来保护测试系统，功率MOSFET损坏后，将电源断开。

测试样品数量为5片。

 过电流测试的电路图如图1(b)所示，选用40 V的功率MOSFET：AON6240，DFN5?鄢6封装。

首先合上开关A，用20 V的电源给大电容充电，电容C的容值为15 mF，然后断开开关A，合上开关B，将电容C的电压加到功率MOSFET管的D极和S极，使用信号发生器产生一个电压幅值。

开关电源常见故障的分析及维修（论文）开关电源常见故障的分析及维修(论文）摘要：本文主要是针对脉冲宽度调制（PWM）式开关电源常见故障进行分析和维修的。

这类开关电源因其节能，环保，性价比高等优点，很快占领了市场，被广泛的应用于我们的生活中和各行各业中。

但这种开关电源的线路复杂，维修不便，给我们的日常生活和生产带来诸多不便。

因此本文就从这些角度出发，通过分析故障产生的原因以及如何排除故障，进行详细的阐述，希望对我们的日常生活和生产有所帮助。

关键词：开关电源高频变压器 UC3842 PWM前言目前，开关电源已逐渐进入我们的日常生活和生产中，它以节能，环保，性价比高等优点，很快取代了以往传统的那种既笨重效率又低的“线性电源”，很快被人们所接受。

这类开关电源主要是以美国Unitorde公司生产的一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片UC3842（KA3842）为主控芯片，IGBT（绝缘栅双极场效应晶体管）为“开”“关”器件，配合LM324（四运放）或LM358（双运放）及光电耦合器（PC817）作为输出负载反馈器件，以及TL431（高精密并联稳压器），高频变压器为主要元件所组成的脉冲宽度调制（PulseWidthModulation,缩写为PWM）式开关电源。

本文就针对此类开关电源进行详细的阐述其原理，常见故障分析以及维修方法。

开关电源的概述及工作原理1.1开关电源的概述开关电源是一种电源转换电路，一般是将交流电（AC）转换成不同电压的直流电（DC），且电压非常平稳。

因开关电源中的开关管（IGBT）总是工作在“开”和“关”的工作状态，所以叫开关电源。

它与传统的线性电源相比无论是在工作程式上还是在各方面的性能上都有了质的飞跃。

传统的线性电源工作程式一般可归纳为：变压器降压，二极管桥式整流，大容量电解电容滤波，稳压电路或专用稳压IC稳压。

而开关电源则不同，它的工作程式一般可归纳为：高压大电流二极管桥式整流，大容量电解电容滤波，中间控制高频变换环节，整流，滤波，稳压及反馈环节，保护环节等。

三极管的损坏机理分析半导体三极管的损坏[摘要]三极管的损坏, 主要是指其PN结的损坏。

按照三极管工作状态的不同, 造成三极管损坏的具体情况是: 工作于正向偏置的PN 结, 一般为过流损坏, 不会发生击穿; 而工作于反向偏置的PN 结, 当反偏电压过高时, 将会使PN 结因过压而击穿。

[关键词]三极管; 击穿; 偏置NPN型三极管I CI E半导体三极管在工作时，电压过高、电流过大都会令其损坏。

在课堂上我们了解到，其实三极管被击穿还不至于到损坏，但其击穿后功率过大、温度过高会令三极管烧坏。

下面，我们将对每一种可能的情况进行探讨、浅析。

从半导体三极管的内部结构来看, 它相当于两个背靠背的PN 结(即发射结和集电结)。

这两个PN结, 对于PN P 型三极管来讲, 相当于两只负极在一起的二极管, 如图1 所示; 对于N PN 型三极管来讲, 相当于两只正极在一起的二极管, 如图2 所示。

SJTU图1PN P 型三相管图2N PN 型三相管而其实三极管的损坏，一般是由于二极管的PN结损坏构成的。

在不同的工作状态下, 发生损坏的情况与这两个PN 结的偏置情况有关。

总的来讲, 工作于正向偏置的PN 结, 当通过的电流过大时, 将会使它的功率损耗过大而烧坏, 但由于正向偏置的PN 结两端电压很低(锗PN 结约为0. 2V 左右, 硅PN结约为0. 7V 左右) , 故此时不会使PN 结发生击穿; 而工作于反向偏置的PN 结, 当反偏电压过高时, 将会使PN 结击穿, 如击穿后又未限制流过它的反向击穿电流, 将会使击穿成为永久性的、不可逆的击穿, 从而造成其彻底损坏。

在这里，我们先介绍一下三极管的各种参数:主要了解三极管的3个极限参数：Icm、BVceo、Pcm即可满足95%以上的使用需要。

1. Icm是集电极最大允许电流。

三极管工作时当它的集电极电流超过一定数值时，它的电流放大系数β将下降。

为此规定三极管的电流放大系数β变化不超过允许值时的集电极最大电流称为ICM。

半导体三极管的损坏[摘 要]三极管的损坏, 主要是指其PN结的损坏。

按照三极管工作状态的不同, 造成三极管损坏的具体情况是: 工作于正向偏置的PN 结, 一般为过流损坏, 不会发生击穿; 而工作于反向偏置的PN 结, 当反偏电压过高时, 将会使PN 结因过压而击穿。

[关键词]三极管; 击穿; 偏置NPN型三极管I CI E半导体三极管在工作时，电压过高、电流过大都会令其损坏。

在课堂上我们了解到，其实三极管被击穿还不至于到损坏，但其击穿后功率过大、温度过高会令三极管烧坏。

下面，我们将对每一种可能的情况进行探讨、浅析。

从半导体三极管的内部结构来看, 它相当于两个背靠背的PN 结(即发射结和集电结)。

这两个PN结, 对于PN P 型三极管来讲, 相当于两只负极在一起的二极管, 如图1 所示; 对于N PN 型三极管来讲, 相当于两只正极在一起的二极管, 如图2 所示。

SJTU图1PN P 型三相管图2N PN 型三相管而其实三极管的损坏，一般是由于二极管的PN结损坏构成的。

在不同的工作状态下, 发生损坏的情况与这两个PN 结的偏置情况有关。

总的来讲, 工作于正向偏置的PN 结, 当通过的电流过大时, 将会使它的功率损耗过大而烧坏, 但由于正向偏置的PN 结两端电压很低(锗PN 结约为0. 2V 左右, 硅PN结约为0. 7V 左右) , 故此时不会使PN 结发生击穿; 而工作于反向偏置的PN 结, 当反偏电压过高时, 将会使PN 结击穿, 如击穿后又未限制流过它的反向击穿电流, 将会使击穿成为永久性的、不可逆的击穿, 从而造成其彻底损坏。

在这里，我们先介绍一下三极管的各种参数:主要了解三极管的3个极限参数：Icm、BVceo、Pcm即可满足95%以上的使用需要。

1. Icm是集电极最大允许电流。

三极管工作时当它的集电极电流超过一定数值时，它的电流放大系数β将下降。

为此规定三极管的电流放大系数β变化不超过允许值时的集电极最大电流称为ICM。

三极管无法导通的原因三极管是现代电子技术中常用的一种元件，广泛应用于电子电路中。

但是在使用中，我们有时会遇到三极管无法导通的情况，这给实际应用带来了很大的困扰。

下面，我将分步骤阐述三极管无法导通的原因。

第一步：检查管子本身的质量，包括结构和加工参数等方面。

三极管导通不畅或者完全不导通的情况，首先要排除管子作为元件本身存在质量问题。

通常的做法是通过上位机、万用表、示波器等检测设备，对管子进行检测，检测需要检查的参数有：漏电流、电阻、电容、电感、电压等参数。

如果有参数偏差较大，通常需要进行后续步骤的检查，如果没有偏差，就可以排除管子本身的质量问题。

第二步：检查管子引脚连接问题。

三极管的引脚连接通常有几十根，其中任何一根引线连接不良，都有可能导致管子无法导通。

因此，在检查管子引脚连接时，需要检查的问题包括连接方式是否正确、焊接件是否发生损坏和锈蚀等。

对于焊接件发生损坏和锈蚀等情况，需要及时更换。

第三步：检查元器件周围的电路。

三极管通常是在特定的电路中工作，如果周围其他元器件有工作不正常，也有可能导致三极管无法导通。

在进行检查时，可以采用切换非关键性器件、降低电路额定电压等方法，逐一排除其他元器件是否是导致三极管无法导通的原因。

第四步：检查电源电压。

电源电压也是三极管是否能导通的重要因素。

如果电源电压太低，也有可能导致三极管无法导通。

因此，在进行检查时，需要测量电源电压是否正常，同时，也需要确认电源是否处于正常工作状态，以保证电源电压稳定。

在检查电源电压时，也可以通过增加电源电压或调整电路参数等方法，来解决三极管无法导通的问题。

第五步：检查环境温度。

三极管的工作环境温度也有可能影响元件的导电性能。

一般来说，三极管的工作环境应保持在20°C~25°C的范围内，超出此范围，就有可能导致三极管无法导通。

因此，在进行检查时，需要保持工作环境的温度稳定，也可以通过加散热片等方式来提高三极管的工作温度。

开关电源的失效分析方法一开关电源的失效分析方法一开关电源的外观检查：外观检查主要是分析检查开关电源产品的外观缺陷，外观检查的目的是记录PCB、电子零件和焊点等的物理尺寸、材料、设计、结构和标记，确定外观的破损，检测污染等异常和缺陷，这些问题都是工艺制造或应用中造成的错误、过负载和操作失误的证据，这些信息很可能与失效是相关的。

外观检查通常采用目检，也可以使用1.5~10倍的放大镜或者光学显微镜。

外观检查的作用之一是验证工艺失效的PCB、电子零件和焊点与标准和规范的一致性；外观检查的作用之二是寻找可能导致失效的问题点。

例如，电源适配器、充电器组装成品后放置一段时间外壳有裂缝，则可能是PC/ABS两种原材料树脂的相容性没处理好，容易开裂，或是工艺方面，产品加工过程中，没有很好消除内应力。

外引线之间如果有异物，则异物可能导致引线之间的短路。

PCB表面有机械损伤，则可能导致PCB走线断裂引起开路等。

由于开关电源的失效分析可能要做切片和去封装等破坏性分析工作，外观检查的对象不再存在，因此在进行外观检查时要做详细记录，最好拍些图片。

作为初步检查，在检查外观之前，如果对目标随随便便地进行处理就有可能失去宝贵的信息。

作为外观检查程序的一部分，首先要将其全部信息标记记录下来，即详细记录PCB厂家和电子零件厂家的名称、型号、规格、批次、生产日期等信息。

其次，应特别注意以下几方面内容的检查:1.机械损伤：来自电子零件的引脚、根部和封装密封缝的开裂、划痕、疵点；焊点和PCB表面的机械损伤痕迹。

2.器件密封缺陷：来自电子元器件的引脚与玻璃、陶瓷和塑胶的结合处，以及根部的黏附部位和密封缝。

3.器件引脚镀层缺陷：来自电子元器件表面的镀层不均匀、气泡、针孔和锈斑。

4.PCB表面的污染或黏附物：主要来自PCB板加工过程中。

5.器件的热损伤或电气损伤情况。

6.PCB的分层和爆裂等。

7.PCB表面处理层的异常。

8.焊点有没有发生重熔和开裂、虚焊等。

图１　开封芯片表面表１　三极管性能测试数据图２　焊接不良示意图鱼尾也出现过断线，如图3所示，CT扫描发现管脚鱼尾不良，出现断点。

断点处与焊盘有轻微接触，导致故障不稳定，在使用中长期通电出现开路。

图３　鱼尾断线ＣＴ扫描图如图4所示，底板不平，底板四周出现高度差，导图４　鱼尾断线示意图鱼尾断线的不良原因为底板有硅碎，或在拆卸重新安装后未做水平高度差检测，导致底板不平，劈刀切线时，管脚呈悬空状态，管脚上下摆动，拉扯铜线，最终导致鱼尾断线。

１．１．４　虚焊故障模拟验证制作一颗硅碎，如图5所示，大概整颗芯片的1/3大小放在底板对应的基岛位置下面，将已上芯的产品拉到底板下，开始焊接，共计实验5颗。

当焊接到此颗芯图５　焊接故障模拟图综合以上分析，确认此次不良的根本原因为生产期间偶然有硅碎随着机器的振动移动到底板下，造成基岛不平，铜线焊接时焊接能量损失，导致产品焊球焊接不图６　Ｘ光透视图图８　塌丝故障分析鱼骨图３．２．２　出料盒改善焊线机料盒出料口处加装挡块，具体见图9，防止机器振动使框架从料盒振出压塌已焊线产品造成塌线。

图９　增加挡板３．２．３　包封台优化改善针对包封工序人为调整料片方法不规范，造成产品塌线的现象，将原来的凸台设计改为凹台设计，见图10，在四周增加挡边定位，防止料片移动，无需手动对料片位置进行调整，避免人为调整料片造成塌线。

图１０　料片定位改为凹台３．２．４　检验方法优化针对产品检验时易受干扰导致塌线的情况更改检验方法，见图11，由之前取下料片在放大镜下检查改为在设备显示器上检查焊球和鱼尾，用设备显微镜检查线弧形状，减少人为干涉产品，预防塌丝。

QC检验频率：图１１　显微镜检查３．２．５　人为调整专项打包针对产品包封前受人为干扰产品存在塌线风险的可能，将焊线工序、包封工位所有人为干预过的料片统一装入蓝色料盒，包封后再对其进行X-ray全检确认，将异常品剔除。

4 失效整改总结及意义三极管失效是厂家本身产品生产过程及筛选不良导致实际应用中出现故障。