开关电源中关键器件的可靠性研究

摘要

从90年代开始,开关电源逐步得到广泛的应用。开关电源的核心是DC-DC变换器。影响开关电源的主要因素是其拓扑结构,开关频率,控制方式及关键元器件如开关管、储能电感和变压器等。近年来,电源设备日趋复杂,使用环境也变得恶劣多样,所服务的电子系统又越来越重要和昂贵,这一切使得提高电源设备的可靠性研究变得刻不容缓。 开关电源中有很多器件无法进行高温试验(如光电耦合器),因此对开关电源整体进行加速寿命试验有一定的困难。本文在深入研究HHW28S15电源模块的基础上,提取其功率级电路进行试验并采用恒定电应力温度斜坡法对此电路中的VDMOS IRF120和肖特基二极管(SDB)SC070H150A进行可靠性评价。恒定电应力温度斜坡法(CETRM)具有试验周期短,所需样品少的优点。 首先,对HHW28S15电源模块的电路拓扑结构进行分析,并对其输入、输出特性和关键节点的电压波形进行了测量,所得结果是设计试验样品的电应力偏置电路的重要依据。 其次,专门研制了温度应力控制系统和电应力偏置系统,以满足恒定电应力温度斜坡法的试验要求。温度应力控制系统采用先进的欧陆3504温控仪、周波数调功控制模块、固态继电器、热电偶和温度补偿导线搭建,为试验提供了精确的序进温度应力；电应力偏置系统的主电路与HHW28S15电源模块的功率级电路相同,并制作了专用的PCB电路板。 使用专门设计研制的试验设备对IRF120和SC070H150A进行了加速寿命试验,得到了在75℃至203℃范围内主要的直流特征参数,即IRF120的阈值电压、通态电阻、跨导和SC070H150A的正向特性和反向特性。通过对数据进行分析处理,得出各个试验样品的寿命,其中IRF120的平均寿命为9.06×106 h,SC070H150A的平均寿命2.16×108h。 另外,本文对常见的失效模式与失效机理进行了介绍,在理论上分析了样品的失效机理主要是器件固有缺陷和玷污。IRF120氧化膜中的正离子沾污使其与时间有关的击穿(TDDB)变得比较显著,SC070H150A氧化膜中的正离子使SiO2膜和场环之间可能形成以n型沟道,导致反向漏电流增加。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1中国电源产业的发展现状

1.1.2开关电源的发展趋势

1.1.3开关电源的可靠性

1.2课题的研究意义

1.3主要研究内容

第2章加速寿命试验方法

2.1三种加速寿命试验方法简介

2.2三种加速寿命试验的研究与应用

2.3 CETRM方法的理论模型

2.3.1模型的建立

2.3.2 应力的加载

2.3.3失效机理一致性判别

2.3.4激活能的提取

2.4.4寿命的外推

本章小结

第3章开关电源中的关键器件

3.1 VDMOS的简要介绍

3.1.1 VDMOS的结构与工作原理

3.1.2 VDMOS的主要技术特点

3.1.3 VDMOS的重要参数

3.2肖特基二极管的简要介绍

3.2.1肖特基势垒

3.2.2肖特基势垒的电流输运理论

3.2.3 SBD的终端技术

3.2.4二极管结构和工艺

本章小结

第4章VDMOS和肖特基二极管加速寿命试验

4.1预备试验

4.1.1 HHW28S15简介

4.1.2测试系统的搭建

4.1.3直流参数的测量

4.1.4关键点电压波形测量

4.2加速寿命试验

4.2.1试验方法

4.2.2试验系统

4.2.3测试仪器

4.2.4 VDMOS IRF120试验数据及数据处理

4.2.5肖特基二极管SC070H150A试验数据及数据处理

本章小结

第五章失效机制的理论分析

5.1常见的失效模式与失效机理

5.2寿命试验失效参数的失效机理分析

5.2.1 IRF120的失效机理分析

5.2.2 SC070H150A的失效机理分析

本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢