芯片失效分析赵工 半导体工程师 2022-07-06 09:35 发表于北京
一、什么是浪涌？
浪涌也叫突波，顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。
可能引起浪涌的原因有：重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品，可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护连接设备免于受损。
二、浪涌的特点
浪涌产生的时间非常短，大概在微微秒级。浪涌出现时，电压电流的幅值超过正常值的两倍以上。由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流远远大于稳态输入电流。电源应该限制AC开关、整流桥、保险丝、EMI滤波器件能承受的浪涌水平。反复开关环路，AC输入电压不应损坏电源或者导致保险丝烧断。
这种现象通常只持续几纳秒至几毫秒：
如下图所示，浪涌出现时的电压和电流值超过正常值两倍以上：
三、浪涌的表现
浪涌普遍的存在于配电系统中，也就是说浪涌无处不在。
浪涌在配电系统主要表现如下：
● 电压波动
● 在正常工作情况下，机器设备会自动停止或启动
● 用电设备中有空调、压缩机、电梯、泵或电机
● 电脑控制系统经常出现无理由复位
● 电机经常要更换或重绕
● 电气设备由于故障、复位或电压问题而缩短使用寿命
浪涌对敏感电子电器设备的影响，主要有以下三种类型：
破坏：
● 电压击穿半导体器件
● 破坏元器件金属化表层
● 破坏印刷电路板印刷线路或接触点
● 破坏三端双可控硅元件/晶闸管
干扰：
● 锁死、晶闸管或三端双向可控硅元件失控
● 数据文件部分破坏
● 数据处理程序出错
● 接收、传输数据的错误和失败
● 原因不明的故障
过早老化：
● 零部件提前老化、电器寿命大大缩短
● 输出音质、画面质量下降
四、浪涌的来源
以配电系统为参照物，则浪涌可以分成系统外的和系统内的两种。根据统计，系统外的浪涌主要来自于雷电和其它系统的冲击，大约占20%；系统内的浪涌主要来自于系统内部用电负荷的冲击，大约占80%。
● 外部：主要是雷击
● 内部：用电设备的开关等
1、雷电
一是，直击雷。
雷电击在避雷针、避雷带及建筑物或炼油塔的某部位。
二是，雷电电磁辐射（雷击点强大的磁场向四周辐射）。
雷击即便没有直接击中建筑物，也会对建筑物内的微电子设备造成损坏，因为只要雷击中心点发生在距建筑物半径2km范围内，在此范围内的空间里就会产生极强的电磁场，所有从这个电磁场中穿越的供电线路，网络和信号线路等，都会因电磁感应而在线路上产生一个浪涌电压，并沿着线路进入大楼内的设备输入端口，从而将电子设备摧毁。
三是，雷电流在电源和信号线上的分流。
四是，雷电感应。
雷电流从引下线泄放过程中在周围形成强大的交变磁场，处于磁场内的金属导体上产生感应电压。
五是，雷击部位形成的局部高电位。
六是，雷电部侵入。
直接雷击击中电力线路或引下线疏导雷电流时，在电力线路上会产生雷击过电压并在电力线缆周围产生强大的电磁脉冲，凡是在此电磁脉冲范围内的各种电力、信号及控制线路都会感应出过电压，这部分过电压将会沿各种线路传输到后端的设备，从而引起设备的误动作或损坏。
2、电网内部浪涌
一是，电力大负荷的投入和切除，比如空调、压缩机、泵或马达。
二是，感性负荷的投入和切除。
三是，功率因素补偿电容器的投入和切除。
四是，短路故障。
五是，机械触点。
机械开关包括电磁继电器的开关触点、按钮开关、按键、带开关电位器等。
五、浪涌的分类
六、雷击浪涌的防护
1、电子设备雷击浪涌抗扰度试验标准
电子设备雷击浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.5（等同于国际标准IEC61000-4-5）。
标准主要是模拟间接雷击产生的各种情况：
● 雷电击中外部线路，有大量电流流入外部线路或接地电阻，因而产生的干扰电压；
● 间接雷击（如云层间或云层内的雷击）在外部线路上感应出电压和电流；
● 雷电击中线路邻近物体，在其周围建立的强大电磁场，在外部线路上感应出电压；
● 雷电击中邻近地面，地电流通过公共接地系统时所引进的干扰。
标准除了模拟雷击之外，还模拟变电所等场合，因开关动作而引进的干扰（开关切换时引起电压瞬变），比如：
● 主电源系统切换时产生的干扰（如电容器组的切换）；
● 同一电网，在靠近设备附近的一些较小开关跳动时的干扰；
● 切换伴有谐振线路的晶闸管设备；
● 各种系统性的故障，如设备接地网络或接地系统间的短路和飞弧故障。
标准描述了两种不同的波形发生器：一种是雷击在电源线上感应生产的波形；另一种是在通信线路上感应产生的波形。
这两种线路都属于空架线，但线路的阻抗各不相同：在电源线上感应产生的浪涌波形比较窄一些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信线上感应产生的浪涌波形比较宽一些，但前沿要缓一些。后面我们主要以雷击在电源线上感应生产的波形来对电路进行分析，同时也对通信线路的防雷技术进行简单介绍。
2、模拟雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理
上图是模拟雷电击到配电设备时，在输电线路中感应产生的浪涌电压，或雷电落地后雷电流通过公共地电阻产生的反击高压的脉冲产生电路。4kV时的单脉冲能量为100焦耳。
其中：
● 图中Cs是储能电容（大约为10uF，相当于雷云电容）；
● Us为高压电源；
● Rc为充电电阻；
● Rs为脉冲持续时间形成电阻（放电曲线形成电阻）；
● Rm为阻抗匹配电阻Ls为电流上升形成电感。
雷击浪涌抗扰度试验对不同产品有不同的参数要求，上图中的参数可根据产品标准要求不同，稍有改动。
基本参数要求：
● 开路输出电压：0.5～6kV，分5等级输出，最后一级由用户与制造商协商确定；
● 短路输出电流：0.25～2kA，供不同等级试验用；
● 内阻：2Ω，附加电阻10、12、40、42Ω，供其它不同等级试验用；
● 浪涌输出极性：正/负；浪涌输出与电源同步时，移相0～360度；
● 重复频率：至少每分钟一次。
雷击浪涌抗扰度试验的严酷等级分为5级：
● 1级：较好保护的环境；
● 2级：有一定保护的环境；
● 3级：普通的电磁骚扰环境、对设备未规定特殊安装要求，如工业性的工作场所；
● 4级：受严重骚扰的环境，如民用空架线、未加保护的高压变电所；
● X级：由用户与制造商协商确定。
图中18uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也可不同，但大到一定值之后，基本上就没有太大意义。
10欧姆电阻以及9uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也不同，电阻最小值可选为0欧姆（美国标准就是这样），9uF电容也可以选得很大，但大到一定值之后，基本上就没有太大意义。
3、共模浪涌抑制电路
防浪涌设计时，假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而，这两部分并非真正独立，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。
为了利用差模电感，在设计过程中，共模与差模不应同时进行，而应该按照一定的顺序来做。
首先，应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络（Differential Mode Rejection Network），可以将差模成分消除，因此就可以直接测量共模噪声了。如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围，那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以下，因此超标的仅是差模成分，可用共模滤波器的差模漏感来衰减。
对于低功率电源系统，共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题，因为差模辐射的源阻抗较小，因此只有极少量的电感是有效的。
对4000Vp以下的浪涌电压进行抑制，一般只需采用LC电路进行限流和平滑滤波，把脉冲信号尽量压低到2~3倍脉冲信号平均值的水平即可。由于L1、L2有50周电网电流流过，电感很容易饱和，因此，L1、L2一般都采用一种漏感很大的共模电感。
用在交流，直流的都有，通常我们在电源EMI滤波器，开关电源中常见到，而直流侧少见，在汽车电子中能够看到用在直流侧。
加入共模电感是为了消除并行线路上的共模干扰（有两线的，也有多线的）。由于电路上两线阻抗的不平衡，共模干扰最终体现在差模上。用差模滤波方法很难滤除。
共模电感到底需要用在哪。共模干扰通常是电磁辐射，空间耦合过来的，那么无论是交流还是直流，你有长线传输，就涉及到共模滤波就得加共模电感。例如：USB线好多就在线上加磁环。开关电源入口，交流电是远距离传输过来的，就需要加。通常直流侧不需要远传就不需要加了。没有共模干扰，加了就是浪费，对电路没有增益。
电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈，与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高，而且体积又小，设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感，也就是差模电感。通常，计算漏感的办法是假定它为共模电感的1%，实际上漏感为共模电感的0.5%～4%之间。在设计最优性能的扼流圈时，这个误差的影响可能是不容忽视的。
4、漏感的重要性
漏感是如何形成的呢？紧密绕制，且绕满一周的环形线圈，即使没有磁芯，其所有磁通都集中在线圈“芯”内。但是，如果环形线圈没有绕满一周，或者绕制不紧密，那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组，这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反，从而使磁场为0。
如果为了安全起见，芯体上的线圈不是双线绕制，这样两个绕组之间就有相当大的间隙，自然就引起磁通“泄漏”，这即是说，磁场在所关心的各个点上并非真正为0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上，与差模有关的磁通必须在某点上离开芯体。换句话说，磁通在芯体外部形成闭合回路，而不仅仅只局限在环形芯体内。
一般CX电容可承受4000Vp的差模浪涌电压冲击，CY电容可承受5000Vp的共模电压冲击。正确选择L1、L2和CX2、CY参数的大小，就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌电压。但如果两个CY电容是安装在整机线路之中，其总容量不能超过5000P，如要抑制浪涌电压超过4000Vp，还需选用耐压更高的电容器，以及带限幅功能的浪涌抑制电路。
所谓抑制，只不过是把尖峰脉冲的幅度降低了一些，然后把其转换成另一个脉冲宽度相对比较宽，幅度较为平坦的波形输出，但其能量基本没有改变。
两个CY电容的容量一般都很小，存储的能量有限，其对共模抑制的作用并不很大，因此，对共模浪涌抑制主要靠电感L1和L2，但由于L1、L2的电感量也受到体积和成本的限制，一般也难以做得很大，所以上面电路对雷电共模浪涌电压抑制作用很有限。
图（a）中L1与CY1、L2与CY2，分别对两路共模浪涌电压进行抑制，计算时只需计算其中一路即可。Ø对L1进行精确计算，需要求解一组2阶微分方程，结果表明：电容充电是按正弦曲线进行，放电是按余弦曲线进行。但此计算方法比较复杂，这里采用比较简单的方法。
假设，共模信号是一个幅度为Up、宽度为τ的方波，以及CY电容两端的电压为Uc，测流过电感的电流为一宽度等于2τ的锯齿波：
流过电感的电流为：
流过电感的最大电流为：
在2τ期间流过电感的平均电流为：
由此可以求得CY电容在2τ期间的电压变化量为：
上面公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的计算公式，式中，Uc为CY电容两端的电压，也是浪涌抑制电路的输出电压，∆Uc为CY电容两端的电压变化量，但由于雷电脉冲的周期很长，占空比很小，可以认为Uc=∆Uc，Up为共模浪涌脉冲的峰值，q为CY电容存储的电荷，τ为共模浪涌脉冲的宽度，L为电感，C为电容。
根据上面公式，假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，电容C=2500p，浪涌抑制电路的输出电压Uc=2000Vp，则需要电感L的数值为1H。显然这个数值非常大，在实际中很难实现，所以上面电路对雷电共模抑制的能力很有限，此电路还需进一步改进。
差模浪涌电压抑制，主要是靠图中的滤波电感L1、L2，和滤波电容CX，L1、L2滤波电感和CX滤波电容等参数的选择，同样可以用下面公式来进行计算。
但上式中的L应该等于L1和L2两个滤波电感之和，C=CX，Uc等于差模抑制输出电压。一般，差模抑制输出电压应不大于600Vp，因为很多半导体器件和电容的最大耐压都在此电压附近，并且经过L1和L2两个滤波电感以及CX电容滤波之后，雷电差模浪涌电压的幅度虽然降低了，但能量基本上没有降低，因为经过滤波之后，脉冲宽度会增加，一旦器件被击穿，大部分都无法恢复到原来的状态。
根据上面公式，假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，脉冲宽度为50uS，差模浪涌抑制电路的输出电压Uc=600Vp，则需要LC的数值为14mH×uF。显然，这个数值对于一般电子产品的浪涌抑制电路来说还是比较大的。
相比之下，增加电感量要比增加电容量更有利，因此最好选用一种有3个窗口、用矽钢片作铁芯，电感量相对较大（大于20mH）的电感作为浪涌电感，这种电感共模和差模电感量都很大，并且不容易饱和。
顺便指出，整流电路后面的电解滤波电容，同样也具有抑制浪涌脉冲的功能，如果把此功能也算上，其输出电压Uc就不能选600Vp，而只能选为电容器的最高耐压Ur（400Vp）。
5、雷击浪涌脉冲电压抑制常用器件
避雷器件主要有陶瓷气体放电管、氧化锌压敏电阻、半导体闸流管（TVS）、浪涌抑制电感线圈、X类浪涌抑制电容等，各种器件要组合使用。
气体放电管的种类很多，放电电流一般都很大，可达数十kA，放电电压比较高，放电管从点火到放电需要一定的时间，并且存在残存电压，性能不太稳定；氧化鋅压敏电阻伏安特性比较好，但受功率的限制，电流相对比放电管小，多次被雷电过流击穿后，击穿电压值会下降，甚至会失效；半导体TVS管伏安特性最好，但功率一般都很小，成本比较高；浪涌抑制线圈是最基本的防雷器件，为防流过电网交流电饱和，必须选用三窗口铁芯；X电容也是必须的，要选用容许纹波电流较大的电容。
（1）气体放电管
气体放电管指的是过电压保护用的避雷管或天线开关管一类，管内有二个或多个电极，充有一定量的惰性气体。气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它用在通信系统的防雷保护。
放电管的工作原理是气体间隙放电i当放电管两极之间施加一定电压时，便在极间产生不均匀电场：在此电场作用下，管内气体开始游离，当外加电压增大到使极间场强超过气体的绝缘强度时，两极之间的间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平，这种残压一般很低，从而使得与放电管并联的电子设备免受过电压的损坏。
气体放电管有的是以玻璃作为管子的封装外壳．也有的用陶瓷作为封装外壳，放电管内充入电气性能稳定的惰性气体（如氩气和氖气等），常用放电管的放电电极一般为两个、三个，电极之间由惰性气体隔开。按电极个数的设置来划分，放电管可分为二极、三极放电管。
陶瓷二极放电管由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。管内放电电极上涂覆有放射性氧化物，管体内壁也涂覆有放射性元素，用于改善放电特性。放电电极主要有杆形和杯形两种结构，在杆形电极的放电管中，电极与管体壁之间还要加装一个圆筒热屏，该热屏可以使陶瓷管体受热趋于均匀，不致出现局部过热而引起管断裂。热屏内也涂覆放射性氧化物，以进一步减小放电分散性。在杯形电极的放电管中，杯口处装有钼网，杯内装有铯元素，其作用也是减小放电分散性。
三极放电管也是由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等部件构成。与二极放电管不同，在三极放电管中增加了镍铬钴合金圆筒，作为第三极，即接地电极。
主要参数：
● 直流击穿电压。此值由施加一个低上升速率（dv/dt=100V/s）的电压值来决定。
● 冲击（或浪涌）击穿电压。它代表放电管的动态特性，常用上升速率为dv/dt=1kV/us的电压值来决定。
● 标称冲击放电电流。8/20us波形（前沿8us，半峰持续时间20us）的额定放电电流，通常放电10次。
● 标准放电电流。通过50Hz交流电流的额定有效值，规定每次放电的时间为1s，放电10次。
● 最大单次冲击放电电流。对8/20us电流波的单次最大放电电流。
● 耐工频电流值。对8/20us电流波的单次最大放电电流。对50Hz交流电，能经受连续9个周波的最大电流的有效值。
● 绝缘电阻。对8/20us电流波的单次最大放电电流。对50Hz交流电，能经受连续9个周波的最大电流的有效值。
● 电容。放电管电极间的电容，一般在2～10pF之间，是所有瞬变干扰吸收器件中最小的。
（2）金属氧化物压敏电阻
压敏电阻一般都是以氧化锌为主要成分，另加少量的其它金属氧化物（颗粒），如：鈷、猛、铋等压制而成。由于两种不同性质的物体组合在一起，相当于一个PN结（二极管）。因此，压敏电阻相当于众多的PN结串、并联组成。
6、超高浪涌电压抑制电路
实例一：
上图是一个可抗击较强雷电浪涌脉冲电压的电原理图，图中：G1、G2为气体放电管，主要用于对高压共模浪涌脉冲抑制，对高压差模浪涌脉冲也同样具有抑制能力；VR为压敏电阻，主要用于对高压差模浪涌脉冲抑制。经过G1、G2和VR抑制后，共模和差模浪涌脉冲的幅度和能量均大幅度降低。
G1、G2的击穿电压可选1000Vp~3000Vp，VR的压敏电压一般取工频电压最大值的1.7倍。G1、G2击穿后会产生后续电流，一定要加保险丝以防后续电流过大使线路短路。
实例二：
增加了两个压敏电阻VR1、VR2和一个放电管G3，主要目的是加强对共模浪涌电压的抑制，由于压敏电阻有漏电流，而一般电子产品都对漏电流要求很严格（小于0.7mAp），所以图中加了一个放电管G3，使平时电路对地的漏电流等于0。
G3的击穿电压要远小于G1、G2的击穿电压，采用G3对漏电隔离后，压敏电阻VR1或VR2的击穿电压可相应选得比较低，VR1、VR2对差模浪涌电压也有很强的抑制作用。
实例三：
G1是一个三端放电管，它相当于把两个二端放电管安装在一个壳体中，用它可以代替上面两个实例中的G1、G2放电管。
除了二端、三端放电管之外，放电管还有四端、五端的，各放电管的用途也不完全相同。
实例四：
增加了两个压敏电阻（VR1、VR2），主要目的是为了隔断G1击穿后产生的后续电流，以防后续电流过大使输入电路短路，但由于VR1、VR2的最大峰值电流一般只有G1的几十分之一。所以，本实例对超高浪涌电压的抑制能力，相对实例三要的抑制能力差很多。
实例五：直接在PCB板上制作避雷装置
在PCB板上直接制作放电避雷装置，可以代替防雷放电管，可以抑制数万伏共模或差模浪涌电压冲击，避雷装置电极之间距离一般要求比较严格，输入电压为AC110V时，电极之间距离可选4.5mm，输入电压为AC220V时，可选6mm；避雷装置的中间电极一定要接到三端电源线与PCB板连接的端口上。
实例六：PCB板气隙放电装置代替放电管
在PCB板上直接制作气隙放电装置，正常放电电压为每毫米1000~1500V，4.5mm爬电距离的放电电压大约为4500~6800Vp，6mm爬电距离的放电电压大约为6000~9000Vp。
7、各种防雷器件的连接
避雷器件的安装顺序不能搞错，放电管必须在最前面，其次是浪涌抑制电感和压敏电阻（或放电管），再其次才是半导体TVS闸流管或X类电容及Y类电容。
部分内容整理自：
1.《电子设计可靠性工程》庄弈琪
2.《雷电浪涌和内部浪涌的防护》航天科工深圳集团东方华创投资有限公司（百度文库）
3.《雷电与浪涌防护》（百度文库）
4.《公模电感的测量与诊断》
来源：21ic电子网
半导体工程师
半导体经验分享，半导体成果交流，半导体信息发布。半导体行业动态，半导体从业者职业规划，芯片工程师成长历程。