DC/DC转换器是用于在直流电路中，将一直流电压转变为另一大小直流电压的装置，具有高效、稳定、可靠、灵活等特点，广泛用于汽车电子、工业控制、电力电子、工控设备、仪器仪表、交换设备、航空航天等关键领域[1]- [2]。然而，由于本身可能存在的系统设计缺陷（包括技术方案和电路拓扑设计、输入/输出接口设计、环境试验条件适应性设计等）[3]或在外部过应力下（电压、电流、机械应力和温度应力等）造成DC/DC转换器在使用过程中失效的问题，成为制约其进一步发展的重要因素。因此，对DC/DC转换器进行失效分析，明确其失效模式及机理，对于DC/DC转换器的改进、优化及应用具有十分重要的意义。
- DC/DC转换器的失效模式
DC/DC转换器主要由二极管、三极管、电容器、控制芯片、电感线圈构成，典型DC/DC转换器如图1所示。其常见的失效模式有：无输出、输出电压降低、输出负载能力降低、输出电压偏高、输出电压不稳定、跳变等，通常是由电路中元器件的失效引起。常见的失效元器件主要有控制芯片、二极管、三极管、电容器等
图1典型的DC/DC转换器模块（已开封）
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DC/DC转换器失效分析技术
2.1 非破坏性失效分析技术
2.1.1 3D X-ray检查
3D X-ray 是一种高分辨率的无损检测手段，可以实现高分辨率、高衬度的3D断层扫描和重构,对各种样品的内部结构在亚微米尺度的三维成像和定量化研究。其主要原理是利用不同材料对于X射线的吸收和散射能力的不同，在测试时将待测物体做360°旋转，收集并合成每个角度的2D穿透图像，进而形成3D形貌，具有检测速度快、分辨率高、效率高、能够识别二维的投影无法发现的特征和结构等优点。因此，可利用3D X-ray对DC/DC转换器可能失效的元器件进行检查，确定元器件是否存在焊点开裂、烧毁、缺陷、结构损伤等异常。应用实例如图2所示。
图2 3D X-ray检测到的 DC/DC转换器电感器磁芯裂纹
2.1.2 锁相红外热成像
锁相红外热成像的定位原理是使用周期性热源，对失效器件施加激励，如果器件存在缺陷会对其表面温度分布产生周期性影响，有无缺略的区域就会产生一定的相位差，热像仪收集被检测物体的表面温度分布，再通过锁相系统将有用的信号分离出来，对数据进一步处理得到相位图，从而达到定位缺陷的目的[5]-[6]。锁相红外热成像具有高的信噪比、定位尺寸较小、具备微米级的空间分辨力等优点。可用作对被测物热分布测试、芯片的失效定位、芯片的热阻测试、微波器件最高瞬态温度测试等，应用实例如图3所示。
图3 锁相红外热成像定位DC/DC转换器MOS管异常热点
2.1.3 扫描声学显微镜检查
扫描声学显微镜是利用超声波在样品中传播并在不同材料界面上反射或散射，反射（或透射）的声波被接收器接收并转换为电信号，这些电信号代表了样品的内部结构信息，通过计算机处理便得到样品内部的高分辨率图像，从而确认样品内部缺陷或材料的变化，如分层、异物颗粒、裂纹、空洞、芯片粘接的未粘附区域等。应用实例如图4所示。
图4 扫描声学显微镜检测到DC/DC转换器MOS管存在分层和空洞
2.1.4 光发射显微镜
光发射显微镜是一种高分辨率微观缺陷（或损伤）定位手段，可集成两种功能，分别是光发射显微技术（EMMI,Emission Microscope）和激光诱导电阻变化技术（OBIRCH,Optical Beam Induced Resistance Change）。EMMI定位模式的主要原理是：当半导体中有电流通过时，半导体内部载流子发生跃迁，以辐射光子的形式释放能量。可用于定位漏电结、热电子效应、闩锁效应、氧化层漏电、静电击穿和衬底损伤等等。OBIRCH的主要原理是：激光作用于材料时，会产生两种效应，一种是热效应，另一种是光生载流子效应，光生载流子效应及热效应均能导致半导体电阻的变化，通过变化区域与激光束扫描位置的对应，定位缺陷位置。光发射显微镜具有操作简单、定位迅速、洁净、无损、灵敏、漏电流可以小至uA量级等优点。应用实例如图5所示。
图5 OBIRCH激光扫描显微镜定位DC/DC转换器三极管阻抗异常点
2.1.5 EOTPR技术
EOTPR即电光太赫兹脉冲时域反射，采用超快激光脉冲产生一个带尖锐峰值的太赫兹电脉冲，注入到待检测的封装中，基于传输线理论，当传输线中发生阻抗变化时，一部分信号会被反射，另一部分信号继续沿传输线传输。通过测量反射信号的时间，可以测量反射点到信号输出点的距离[7]-[10]。可针对封装级失效，例如复杂封装器件FCBGA、COWOS封装等，结构包括TSV、Micro-bump、C4 bump等以及 PCBA中BGA焊点定位等。应用实例如图6所示。
图6 EOTPR定位到的芯片线路上阻抗异常点
2.2 破坏性失效分析技术
2.2.1 机械剖切面
器件失效区域的结构、形貌和化学组分的确定对于能否明确其失效机理具有重要意义，而在使用常见的分析手段(例如SEM、TEM、EDS等)时，需要选取适合的观察面，使所要观察的缺陷与观察面相交，有时还需要结合等离子研磨（CP）等技术。因此，机械剖切面也是进行失效分析的重要基础技术。应用实例如图7所示。
图7 利用切片观察到空洞异常区域
2.2.2 聚焦离子束
聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）是利用电子透镜将离子束聚集成非常小尺寸的显微精细切割仪器。可用于电路修补、截面剖切观察和透射电镜样品制备等。因此，在DCDC转换器失效分析中，FIB可针对内部芯片的过电击穿、PN结缺陷、电迁移或腐蚀引起的金属化层厚度变化等进行制样和分析。应用实例如图8所示。
图8 利用FIB观察DC/DC转换器二极管烧毁形貌
3. 小结
本文介绍了DC/DC转换器失效分析中常用的非破坏性和破坏性的失效定位技术，列举了应用实例。先进的分析技术对于失效分析起着事半功倍的效果，但在实际分析过程中也需要根据样品失效状态和信息灵活选用合适的失效分析及定位技术，才能高效精准的找到失效原因。
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