Falla de Mosfet en convertidor de conmutación DC-DC: análisis de causa raíz y contramedidas

Bueno, esto es todo un rompecabezas, ¿no?

Desglosemos esto en una lista de posibles pistas sobre la causa de la falla:

1. Los convertidores son eficientes y no se calientan demasiado (60 °C también podrían ser gélidos en el contexto de convertidores de potencia y MOSFET de potencia)

2. Se puede encontrar una extraña decoloración negra en las almohadillas de los FET rotos y, extrañamente, también en las almohadillas de los capacitores de salida.

3. Se supone que las almohadillas inferiores de Q17 y Q19 tienen un cortocircuito (ambos están conectados a Vin). Sin embargo, la almohadilla inferior de Q18 está conectada al nodo de conmutación de la salida y tierra de Q17/Q18. La fuente de Q19 está conectada al nodo de conmutación de la salida inferior. Los MOSFET que "explotan" casi siempre se cierran, es decir, tienen fugas o básicamente no pueden apagarse, y el drenaje y la fuente se cortocircuitan. Si falla Q19, se producirá un cortocircuito entre Vin y el nodo de conmutación inferior. Esto no provocaría que la almohadilla inferior de Q18 se cortocircuitara al VIN. De hecho, el único MOSFET que podría fallar y provocar un cortocircuito en el drenaje de Q18 a VIN es Q17. A menos que Q17 también falle, entonces la falla de Q19 no fueel mecanismo de falla, sino más bien el resultado del mecanismo de falla.

4. Tienes mucha humedad y ciclos térmicos diarios.

5. La placa fallida tiene soldadura, no fundente acumulado peligrosamente cerca de las mismas almohadillas que estaban en cortocircuito. Sin embargo, esta placa funcionó durante 18 meses sin problemas.

Lo creas o no, esas son todas las pistas que necesitamos. Este misterio se puede resolver.

En primer lugar, es probable que sus huellas para esos MOSFET sean ligeramente incorrectas. Es probable que las aberturas de la pasta de soldadura sean el problema; básicamente, está dosificando demasiada pasta y no tiene la ubicación correcta de la pasta.

Mira, esas pequeñas bolas de soldadura no solo están colgando, están unidas. Están unidos a la almohadilla inferior, que tiene pequeñas piezas expuestas de marco de plomo a cada lado:

¿Ve las partes expuestas del drenaje en los lados sin los pasadores adecuados? Si tiene demasiada pasta en su almohadilla de drenaje, el exceso puede acumularse en esos pequeños bastardos laterales. Se forma una bola porque no hay nada más que resistencia de soldadura en todas las direcciones, por lo que se engancha desesperadamente a esa pequeña almohadilla de drenaje expuesta.

Ahora, debe tener en cuenta las tolerancias de fabricación para este tipo de cosas. Realmente no consideraría esto como un defecto, sino más bien dentro de la cantidad normal de variación y tolerancias que puede esperar con la fabricación. La soldadura no siempre refluye exactamente de la misma manera, y si hay demasiada pasta en el lugar equivocado, el fundente que se escapa y otros volátiles pueden empujarlo a lugares a los que preferiría que no fuera, y obtiene cosas como las bolas que ve. en este tablero, y lo obtienes de vez en cuando. Uno de cada x número de tableros podría tener esto, mientras que el resto no. Es una tirada de dados.

Si no se esfuerza explícitamente por reducir la abertura de la pasta de la almohadilla de drenaje en su huella, entonces está mal. La apertura que funciona para otras almohadillas es demasiado grande para la almohadilla de drenaje en los paquetes MOSFET tipo PQFN-8/PQFN 56. Si tuviera que adivinar, apostaría a que tiene la apertura configurada al 80% en esa almohadilla. Debe reducirse al 60% para eliminar cualquier posibilidad de formación de bolas de soldadura. No se preocupe, seguirá siendo suficiente y no provocará la micción.

OK, ahora a la verdadera carne de este misterio. Aparte de todo eso, esas bolas de soldadura no podrían ser la causa, porque la placa funcionó durante 18 meses sin problemas. Al menos, uno pensaría.

Sin embargo, ellos son la causa. O mejor dicho, esas bolas junto con una desafortunada combinación de circunstancias son la causa. Ya sabemos que la falla MOSFET observada no puede explicar los cortos que vemos. De hecho, la única forma en que puedo ver que el nodo del interruptor de cualquiera de las salidas podría acortarse a Vin sin que falle el MOSFET superior es mediante una conexión galvánica física. En otras palabras, algún metal está tocando otro metal donde no debería estar.

Veamos nuestras otras pistas. Mencionas la humedad. Pero, siempre hay humedad. ¿Cuándo se convierte realmente en un problema?

Cuando es suficiente para causar corrosión. Estás usando una soldadura sin plomo, ¿sí? ¿Quizás SAC305 o similar? Sea lo que sea, tiene un poco de plata. En presencia de una humedad significativa y un poco de calor (50-60°C es suficiente, y el capacitor de salida sería otro punto crítico ya que está disipando algo de energía de la corriente ondulada con la que está lidiando), la plata en esa soldadura se hacer algo que probablemente todos hemos encontrado pero en un contexto diferente. Se ha empañado. Se ha vuelto negro como los viejos cubiertos de la abuela, de esos que en realidad están hechos de plata.

Ahora, el contenido de plata de cualquier soldadura que probablemente esté usando es solo un pequeño porcentaje como máximo, por lo que el efecto es tan confuso y moteado. Pero eso es deslustre, nada más lo causaría, excepto tal vez el hollín. Y no creo que la falla fuera lo suficientemente espectacular como para depositar hollín. Y cuando esté depositando hollín, depositará mucho.

Bien, ten paciencia conmigo. Probablemente todavía te estés preguntando qué tiene que ver todo esto con el corto real. La soldadura se deslustró un poco, ¿y qué?

Si tal corrosión está presente, eso significa que hay suficiente humedad y compuestos iónicos (principalmente sulfatos), probablemente sobrantes del fundente o de una docena de otras fuentes, para causar...

electromigración

Oh sí. Si pensó que podía suponer con seguridad que el metal de su tablero, de hecho, permanecería donde lo dejó en presencia de un gradiente de voltaje... por supuesto que no. ¡La naturaleza nunca perdería la oportunidad de hacernos las cosas aún más difíciles!

Bromeo, pero la electromigración es muy real. El estaño, el cobre, el plomo, el oro, esos metales generalmente permanecerán en su lugar. Pero no de plata. La plata es probablemente uno de los metales más susceptibles a la electromigración.

¿Qué es la electromigración, preguntas? Bueno, digamos que tiene un gradiente de voltaje bastante pronunciado, como el diferencial de voltaje que vemos entre dos almohadillas de drenaje adyacentes, como entre Q18 y Q19. Si la plata se está corroyendo, eso significa que todas las cosas necesarias para la electromigración también están presentes. Dicho de otra manera, si hay corrosión/deslustre, entonces habrá electromigración si hay un gradiente de voltaje lo suficientemente agudo (lo que implica dos uniones de soldadura expuestas muy juntas también, ya que cualquier distancia no tendría un gradiente alto).

Es casi seguro que quede algún residuo de fundente, o si no es así, sabemos que hay alguna fuente de contaminantes iónicos porque estos Y la humedad son necesarios para la corrosión. Cualquiera que sea la fuente, en realidad no importa, están ahí, eso es lo que importa. Harán que la plata migre, de forma muy similar a la galvanoplastia, y se 'plaque' en la superficie donde esté presente el gradiente de voltaje. En este caso, esas bolas de soldadura. Se platearán y crecerán pequeños crecimientos de tipo cristal/estalagmita llamados dendritas. El efecto es pequeño y lento, pero con el tiempo, estos crecimientos se acumularán y alargarán con cada hora de funcionamiento, y después de meses y meses... tocan la otra almohadilla y provocan un cortocircuito. Crecerán sobre la resistencia de soldadura, o realmente cualquier cosa, no importa.

Incluso podrá confirmar esto si obtiene un microscopio lo suficientemente decente y mira esas bolas. Nada lujoso, uno óptico debería estar bien, pero dudo que puedas distinguir esta falla a simple vista.

Las otras placas no tienen dos pads tan cerca porque no tienen esas pequeñas bolas de soldadura que cierran la mayor parte del espacio, por lo que no habrían fallado. Es posible que nunca fallen, es posible que no haya un gradiente de voltaje lo suficientemente alto como para soportar una electromigración significativa de plata.

O tal vez también fallarán, con suficiente humedad y tiempo, es difícil de decir realmente. Probablemente pueda usar un microscopio para inspeccionarlos y ver si hay algún crecimiento de dendrita para estar seguro.

De todos modos, su primer instinto siempre fue el curso de acción correcto: desea mantener a raya esa humedad. Sin humedad, no hay corrosión ni disolvente para los compuestos iónicos y, por lo tanto, no hay electromigración.

Modifique la abertura de la pasta de soldadura de esas almohadillas de drenaje y, además, cubra esas placas de manera conforme con un bloqueador de humedad básico y, si alguna de las placas falla, será por razones diferentes, nuevas y emocionantes y no porque una almohadilla MOSFET haga un cortocircuito en su del vecino