郭如鹏 ,宋婉潇 ,朱天鹏 ,朱俊琦 ,杨 冰

(1.中国船舶集团有限公司 第705 研究所,陕西 西安,710077;2.西安西谷微电子有限责任公司,陕西 西安,710077)

0 引言

DC/DC 电源模块是一种运用功率半导体开关器件实现DC/DC 功率变换的开关电源,具有体积小、质量轻、功率密度高、转换效率高以及可靠性高等优点[1],广泛应用于鱼雷电路控制系统。DC/DC电源模块一般由脉宽调制器(pulse width modulation,PWM)、光电耦合器、功率转换部件和肖特基二极管等构成。从组装技术上讲,DC/DC 电源模块属于相对复杂的多芯片组件(multi chip module,MCM),其可靠性和寿命等在产品应用过程中受到广泛关注[2-4]。鱼雷作为一种水下智能寻的装备,其使用的DC/DC 电源模块不仅要考虑通常情况下的可靠性及寿命,而且要考虑狭小安装空间对封装形式带来的严苛约束以及发动机工作时带来高温和振动等环境冲击,更要考虑瞬态大负载加载带来的电压和电流调整率,以及负载阶跃响应等指标的可达性和稳定性[5]。目前研制DC/DC 电源模块的器件厂家众多,但能够完全满足鱼雷特殊需求的厂家不多,且各个厂家由于材料选型、制造工艺和过程检验监督等都不尽相同,导致产品质量水平存在一定的差异。目前对于如何从不同厂家提供的产品中选出功能、性能和质量等综合水平优良的DC/DC 电源模块,还未见有相关的研究成果。

质量比测模型特指一组由可测量或可考察的要素组成,可以用来比较不同厂家产品质量的体系。文中立足于DC/DC 电源模块的失效模式以及鱼雷使用中出现的故障和可能引起失效的潜在关联要素,提出一种质量比测模型及方法,旨在为鱼雷产品选用DC/DC 电源模块提供系统解决方案,同时为鱼雷电路可靠性分析和保障提供支撑。

1 DC/DC 电源模块工作原理和失效模式

DC/DC 电源模块的基本构成如图1 所示。其工作原理为: 输入直流电压Vin经过输入滤波,滤去输入电压中的纹波,再经过功率转换部分转换成一种含有多种交流分量的电压,该电压经过变压器转换为次级电压,再经过整流滤波部分转换为所需的直流电压。已得到的电压经过取样比较部分的取样并和参考电压相比,得到的差值经放大后传送到PWM,控制功率转换开关管的导通与关断,从而调整电压的稳定。辅助电源为PWM 提供工作电压,从而实现将DC/DC 变换的功能。其中,功率转换部分、变压器以及整流滤波部分构成电源模块的主电路,是进行电压变换的主要部分,也是由多种元器件(如: 电阻、电容、电感、集成电路芯片以及分立三极管、二极管管芯)组成的混合集成电路。研究表明: 随着电子技术的进步和应用环境要求的提高,DC/DC 电源模块进一步朝着高密度、微型化和高效率的方向发展,其制造工艺日趋复杂,影响其可靠性的因素也随之增多。经统计分析[6],DC/DC 电源模块的失效模式主要表现为电学参数漂移、开路和短路等(主要失效模式及机理见表1)。引起DC/DC 电源模块失效的因素有多种,包括器件在工作条件下的可靠性水平[7]、电源设计及制造水平[7-8]等。鱼雷DC/DC 电源模块在使用中,其失效模式及机理符合表1 所列情况,在科研和使用过程中出现过的故障包括: 电容选型不当导致瞬态带载不足、内部元器件间隙过小导致模块击穿、内部限流值过小导致工作功率不稳定、基板受力不均金氧半场效晶体管等表贴器件破裂导致模块工作失效,以及焊接材料选择不当使输出器件烧结面脱落导致失效等。

表1 DC/DC 电源模块主要失效模式与机理Table 1 Main failure mode and mechanism of DC/DC power module

图1 DC/DC 电源模块构成及原理图Fig.1 Structure and principle of DC/DC power module

2 鱼雷DC/DC 电源模块质量比测关注重点及比测模型

2.1 关注重点

根据失效统计分析以及使用经验,鱼雷DC/DC电源模块产品质量比测应该重点关注以下几个方面。

1) 功能与性能

功能与性能是对DC/DC 电源模块进行比测的基础内容,主要侧重于其外部特征、特殊环境适应能力以及基本功能性能参数等方面。外部特征包括外形、尺寸和质量等。由于鱼雷产品空间布局和质量控制要求较高,因此对其组成部分的结构尺寸和自身质量也有较高要求,同等功能实现情况下,体积小、质量轻的DC/DC 电源模块在鱼雷结构设计中优先考虑。对特殊环境适应能力进行比测则是因为鱼雷工作过程中会涉及高温、振动、冲击、湿热和盐雾等环境,环境适应性是鱼雷产品控制的重要特性之一,对于DC/DC 电源模块应根据需要确定典型工况对其适应性进行考查,选择的项目一般包括高温和振动等。功能性能参数直接体现出DC/DC 电源模块各方面的工作状态和工作表现,对选定的基本功能性能参数进行比测,能够判断出不同模块产品在相关工作条件下的优劣程度,基本功能性能参数一般指电性能参数,包括静态参数和动态参数。

2) 结构与形成

结构与形成能够体现DC/DC 电源模块的生产制造情况,主要侧重于元器件和材料、结构与布局,以及生产工艺等方面,这些方面也是DC/DC 电源模块失效因素较为集中的方面。元器件和材料是DC/DC 电源模块结构中的重要组成部分,其中,元器件选用是否正确,筛选是否满足要求,是否经过降额,包括粘接、密封、电极、键合等材料在内的材料的选择是否规范,封装管壳和引脚镀层材料、结构工艺是否符合要求等方面对模块的可靠使用具有重要影响。DC/DC 电源模块采用微电子技术和先进的制造工艺,将裸露的开关电源专用集成电路芯片和微型电子元器件密集安装在陶瓷基片上做成的厚膜混合集成电路,元器件布局的符合性、焊点布局的合理性以及电极结构的符合性等是电源模块内部结构应予以关注的重点。生产工艺选择的合理性以及工艺控制的符合性是DC/DC电源模块固有可靠性的保障,生产工艺应主要考察内部焊接质量、键合强度(适用时)、密封工艺以及粘接工艺等。

3) 设计开发过程

DC/DC 电源模块的可靠性水平与设计开发水平有直接的强相关关系。设计开发重点关注的内容包括: 电路选择、安全性设计、热设计、抗电磁干扰设计和“三防”设计等。

DC/DC 电源模块控制功率变换的基本电路有多种且自有特点,电路的设计选型应与具体应用要求相适应。另外,电路设计中的容差设计和降额设计情况对电源模块的稳定、安全运行关系重大,相关设计应遵循相应的设计准则,并考虑实际工作中的极端条件。热设计方面,研究表明,器件的失效往往与其工作温度密切相关,器件的失效率随温度升高呈指数增长[9],DC/DC 电源模块内部元件一般在高温、高压及高电流下工作,在实际应用过程中,发现电源模块的热退化现象严重,因此,在设计过程中应进行热场及热应力分析,考虑热分配、温度正向反馈等问题,采取必要措施预防模块过度生热而影响其工作性能。抗电磁干扰方面,DC/DC 电源模块设计时主要考虑抑制干扰源,可采用的技术包括: 滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术和密封技术等,良好的设计能够有效降低传导干扰和辐射干扰的噪声水平。“三防”设计是指防潮、防盐雾和防霉菌设计,通过材料选取、化学处理和密封等措施可提高电源模块在高盐、高湿等环境下工作的可靠性水平。

4) 质量保证能力

对于所选取的DC/DC 电源模块产品,其生产制造组织的质量保证能力是重点考量的一个维度。一般情况下,建立了质量管理体系,且质量管理体系能够保持有效运行和持续改进的组织,其产品质量得到有效保证的可能性高。除此之外,组织规模、资源能力状况、核心技术能力、协作配套管理以及售后服务保障等方面也是综合构成组织质量保证能力的相关要素。

2.2 比测模型

综合2.1 节梳理的关注重点,构建的鱼雷DC/DC 电源模块质量比测模型如图2 所示。

图2 鱼雷DC/DC 电源模块质量比测模型Fig.2 Quality comparison model of DC/DC power module for torpedoes

3 比测方法

在电源模块的比测中,设计开发过程和质量保证能力部分可通过相关专业人员的考察或审核获取信息,作出客观评价;性能与功能、结构与形成部分比测项目则需要通过专业、科学的方法开展。比测项目除考虑充分性外,还应考虑经济性和有效性。

3.1 外部特征

结构尺寸及质量测量属于通常的物理特征测量,比测时选取合适的测量器具,并规范记录结果即可。

3.2 特殊环境适应

产品环境适应性一般通过极限评估的方式开展。鱼雷DC/DC 电源模块特殊环境适应性的比测就是通过相关环境试验方法测试、分析参与比测的产品在应用中相关性能与规范之间要求的裕度和余量,通过试验也可发现产品在设计、材料和工艺方面的潜在缺陷。鱼雷DC/DC 电源模块特殊环境适应通常考察的项目主要是高温和振动,根据不同的鱼雷产品及不同的使用环境可选择的考察项目包括: 高过载、静电放电(electrostatic discharge ESD)、机械冲击、温度冲击、强加速稳态湿热试验(highly accelerated stress test,HAST)、温度极限、负载极限和电压极限等。相关方法以及试验参数的选取可参考GJB548B-2005[10]等标准。

3.3 基本功能性能参数

通过对稳定状态下各项功能性能电参数(静态参数和动态参数)的测试,可对DC/DC 电源模块在不同条件下工作情况进行检测和比对。参数选择方面,除常规的性能参数外,应重点选取检测DC/DC电源模块对鱼雷产品本身的工作特点及电路系统适应情况的参数,如输入电压跃变时输出响应VVOR、输入电压跃变时的恢复时间TVOR、负载跃变时的输出响应VLOR、负载跃变时的恢复时间TLOR等。鱼雷产品关注的DC/DC 电源模块功能性能电参数见表2。根据需要,对比测器件的功能性能参数测试可在不同环境条件(常温、低温、高温)下进行。静态参数测试时,由于线上阻抗或测试夹具接触阻抗的存在,器件输出负载电流越大,阻抗引起的电压降越大,这在大电流负载时会引起较大的测量误差,当在较大负载电流时,需采用开尔文法测试输出电压。动态参数测试时,由于模块的动态响应参数受模块外围电路的影响较大,所以需对模块外围电路进行规定,如输入/输出电容容量、类型等均需作详细要求。对DC/DC 电源模块进行功能性能参数测试时可对测试所得数据进行列表和作图分析。

表2 鱼雷产品关注的DC/DC 电源模块功能性能电参数Table 2 Function,performance and electrical parameters of DC/DC power module for torpedo products

3.4 元器件和材料

3.4.1 元器件选用

通过内部目检核对模块内部使用元器件是否与产品制造方提供的元器件信息相符。重点对参与比测产品的脉宽调制核心硬IP 核、流片工艺以及脉宽调制器芯片要素进行“伪、空、包”检查。同时,统计参与比测产品内部所有元器件的生产厂家性质(境外、境内),以统计国产器件占比。

3.4.2 粘接材料、密封材料、电极材料和键合材料检查

通过内部目检、制样镜检以及能谱分析的方式检查材料的符合性: 检查粘接材料成分是否与芯片和管壳匹配,焊接温度是否在各零部件可接受的范围内,是否与生产过程中其他工艺形成安全的温度梯度;检查密封材料成份是否为锡焊(采用锡焊密封会导致密封性能差);检查电极材料中是否存在影响可靠性的材料;键合材料检查主要着重于与电极材料的匹配性。

3.4.3 封装管壳和引脚材料镀层检查

通过外部目检分析、制样镜检分析、镀层厚度测量和能谱分析的方法,对封装管壳的引脚材料和镀层结构进行检查。检查镀层材料和结构工艺的符合性,是否存在镀层起皮、脱落、缺失、厚度不满足要求,以及使用禁限用的材料等不符合工艺要求的情况。通过检查可发现焊料层疲劳引发的异常开路、焊料中的锡离子迁移引发锡须生长导致短路等情况。图3 是在体式显微镜下检查发现的引脚镀层异常情况,引脚镀层如果存在起皮、脱落形貌,或引脚部分区域存在锡镀层缺失形貌,可能导致引脚焊接不良。图4 为检查中发现的锡须生长情况,焊球焊料中锡含量大于97%,锡为易升华的物质,因此易迁移引发锡须生长,锡须生长会导致短路。

图3 镀层异常Fig.3 Abnormal coating

图4 锡须生长Fig.4 Growth of tin

3.5 结构与布局

3.5.1 元件布局符合性

通过内部目检的方式检查元件布局的符合性。因DC/DC 电源模块是密集安装的混合集成电路,元件与基板边缘之间的间距、元件上的非绝缘部分与其他元件之间的最小间距、芯片安装位置的符合性均应满足大于25 µm 的要求[10],以此杜绝元件之间电气的互相影响,从而影响电性能。

3.5.2 焊点布局合理性

通过X 射线和内部目检的方式检查焊点布局的合理性。焊点布局的合理性会影响元件之间间距以及键合引线弧度,从而影响DC/DC 电源模块可靠性。焊点布局合理性检查可发现元件之间因绝缘间距影响导致的短路风险以及引线弧度过高或过分下垂导致的引线存在异常应力或短路风险。图5 为检查发现键合点布局不合理,导致键合引线形貌异常造成引线相碰的失效机理。图6 为检查发现引线形貌异常导致引线与芯片之间短路的情况。

图5 键合点布局不合理Fig.5 Unreasonable layout of bonding points

图6 引线形貌异常Fig.6 Abnormal lead shape

3.5.3 电极结构符合性

通过制样镜检和能谱分析的方式检查电阻和电容等元件电极结构的符合性,以发现因电极结构、电极与陶瓷基片结合差等原因而导致的外电极脱落的失效情况。图7 中,外电极为2 层结构,外层为镀层为铅锡焊料,内电极为银,2 层电极结构导致焊接过程中锡吃银现象,从而进一步导致外电极脱落。图8为对批失效样品进行制样检查发现外电极与芯组之间存在缝隙,该缝隙导致电极与芯组之间结合力差,易造成电极脱落。

图7 两层电极结构异常Fig.7 Abnormal structure of two-layer electrode

图8 外电极与芯组之间存在的缝隙Fig.8 A gap between external electrode and chipset

3.6 生产工艺

3.6.1 内部焊接质量

通过内部目检、X 射线检查和制样镜检对DC/DC电源模块元器件焊接质量进行检查。内部目检主要检查焊点的润湿角和焊点表面颜色,如果焊料润湿焊盘(引脚)的润湿角大于90°,则说明焊盘(引脚)可能有可焊性不良导致焊点开路情况;X 光透视系统利用不同材料厚度和密度对X 光的吸收或透过率不同的原理来成像,可用来检查焊点和通孔内部的缺陷以及高密度封装的器件焊点的定位,同时还可用来检查印制电路板(printed circuit board,PCB)内部的结构缺陷等[11];通过金相切片分析观察获得焊点剖面的金相结构过程,可以得到反映焊点质量的微观结构信息。焊接质量不止是局限于焊接后的检查,也可对DC/DC 电源模块经老化试验后再进行焊接质量检查,目的在于发现焊点经老化试验后出现焊料层老化现象。图9 为检查中发现电容焊点处出现“扇形”裂纹,裂纹沿表面呈30°方向向内倾斜扩展。图10 为检查中发现电容焊料层出现不润湿情况,导致焊点开路。

图9 电容焊点处扇形裂纹Fig.9 Fan-shape crack at capacitor solder joint

图10 电容焊料层出现不润湿情况Fig.10 Non-wetting of capacitor solder layer

3.6.2 键合工艺

通过X 射线检查、内部目检和键合强度试验检查内引线的键合强度是否符合文件要求。通过给引线-芯片键合、引线-基板键合或内引线-封装引线键合的键合点、引线或外引线上施加规定应力,以此来发现因键合引线强度不够而导致的键合点开裂或虚接等失效现象。图11 为键合强度试验后通过X 射线Z 方向投影观察到的球形键与芯片之间存在缝隙,内键合点与键合区存在虚接现象,导致IC 芯片开路。

图11 内键合点与键合区存在的虚接现象Fig.11 Virtual connection between internal bonding point and bonding area

3.6.3 粘接工艺

通过X 射线检查、声学扫描显微镜检查、内部目检以及剪切强度试验检查芯片或表面安装的无源器件在基板上的安装工艺步骤的完整性。通过测量对芯片与元器件施力的大小,观察在该力作用下产生的失效类型以及残留的附着材料来具体判定。该方法不仅适用于芯片以及无源器件,对于组件类的半导体器件焊点同样适用。图12为X 射线中检查发现Z 方向观察到芯片与基板之间存在虚接。

图12 芯片与基板之间存在的虚接现象Fig.12 Virtual connection between chip and substrate

3.6.4 密封工艺

通过外部目检、X 射线检查、密封(适用)、内部气体成份分析和能谱分析检查DC/DC 模块的密封工艺。密封工艺的检查主要考查封装结构是否能够起到保护和电气隔离的作用。主要从以下几点着手检查密封工艺: 密封方式(如储能焊、平行缝焊、熔封)是否与管壳结构匹配;检查工艺实现是否良好,能否达到密封效果;密封界面抗环境能力如何。

4 比测结果判定

鱼雷DC/DC 电源模块比测涉及4 个方面的多项内容,比测过程实质上是对多个同类型电源模块产品选定的项目内容进行系统比较、综合选优的过程。首先应根据产品的基本应用需求及关注重点确定各比测项目及内容的权重,构建起符合实际需求且能被各方接受和认可的评判准则,然后结合各项目和内容的实际比测结果,经过加权计算,得出比测产品最终的量化比测结果。

4.1 指标权重确定

构建DC/DC 电源模块质量比测模型指标体系后,采用层次分析法确定各层级指标权重。首先利用“1-9 标度法”对各层级指标之间的相对重要度进行评判赋值[12],形成判断矩阵,再利用专业统计服务科学平台(scientific platform serving for statistics professional,SPSSPRO)数据分析工具对判断矩阵进行计算,最终得出各层级指标权重,其中第1 层指标权重表示为第2 层指标权重表示为第3 层指标权重表示为(其中i=1,2,3,···,l;j=1,2,3,···,m;k=1,2,3,···,n)。

基于鱼雷产品空间布局、质量控制要求以及特殊工作环境等要素,综合考虑其特性对DC/DC电源模块的质量要求,通过行业专家对鱼雷DC/DC电源模块各层级指标的重要度进行评判赋值,运用层次分析法计算得出鱼雷DC/DC 电源模块质量比测模型各层级指标权重,具体如表3 所示。

表3 鱼雷DC/DC 电源模块质量比测模型各层级指标权重Table 3 Weight of indicators at each level of quality comparison model of DC/DC power module for torpedoes

4.2 评级建立

将鱼雷DC/DC 电源模块质量最终评级设为优秀、良好、中等和差4 个等级,具体如表4 所示。

表4 评级建立Table 4 Establishment of evaluation grade

4.3 比测结果计算

1) 基于表4 的评级标准,运用专家打分法对3 级指标及“设计开发过程考察”“质量保证能力考察”2 个1 级指标进行打分,得到3 级指标评分xijk(i=1,2,3,···,l;j=1,2,3,···,m;k=1,2,3,···,n)以及“设计开发过程考察”和“质量保证能力考察”得分x3和x4。

2) 通过3 级指标得分xijk计算2 级指标得分为

3) 由2 级指标得分xij计算1 级指标得分为

4) 鱼雷DC/DC 电源模块质量比测总评分为

5) 根据总评分R,得出鱼雷DC/DC 电源模块质量比测评价结果。

5 结束语

文中对影响鱼雷DC/DC 电源模块质量及可靠性的主要因素进行了分析,建立了考察功能与性能、结构与形成、设计开发过程以及质量保证能力等4 个维度的质量比测通用模型,同时,对相关维度中要素的测量方法及权重开展了研究,研究成果可为鱼雷产品选用高质量和高可靠性水平的DC/DC电源模块建立准则和依据,对鱼雷DC/DC 电源模块质量保证由事后分析转到事前预防提供了理论参考。文中建立的电源模块质量比测模型具有一定的通用性,根据不同的使用要求和环境,确定各维度中影响质量和可靠性的要素及其权重,可以对不同的电源模块开展质量比测工作。