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智能家电电路失效机理与设计缺陷

摘要:智能化家电电路功能繁多、系统复杂,系统和电路设计、制造、储藏等过程存在瑕疵或故障,都会导致整机工作异常。收集了智能电冰箱在用户现场的失效电路板,并进行了失效分析,确认其失效机理。提炼了几个跟电路板的设计缺陷有关的典型失效机理,电路接口缺乏足够滤波电路,串扰信号导致微处理器发生闩锁效应;电机等感性负载关断时反馈的电压击穿其驱动芯片或者微处理器;传感器接口引入异常电压导致芯片失效等。针对以上设计缺陷,为了有效提高产品的可靠性、降低产品的返修率,提出电路设计时需要增加滤波和过压保护措施和考虑可靠性设计(DFR)。

关键词:智能家电;失效机理;闩锁效应;可靠性设计

1引言

智能家电已成为市场热点,各企业也希望借智能空调、冰箱、电视突围而出,因而加大了发展力度。智能家电以微处理器为大脑,辅以各种传感器为感觉器官,通过WiFi来实现家电的远程控制,甚至可以通过搭建智能化平台来实现各种电器产品的联合控制。但是,相对于传统电器来说,智能家电的电路功能更加复杂,对设计、制造都提出了更高的要求。任何环节存在瑕疵或出现故障,都会产生不良后果,影响整机的功能。其中微处理器是智能家电的大脑,电路板的任何故障都会导致智能家电的停摆。对于复杂的设计系统来说,设计难度也更加复杂。随着对可靠性和质量的重视,DFX(DesignforX,面向产品生命周期某一环节的设计)概念也在业界中推广开来。DFX中的X可以代表产品生命周期或其中任何环节,如可制造性设计DFM(Manufacture)、可测试设计DFT(Test)、可分析设计DFD(Diagnosibility)、可装配设计DFA(Assembly)、环保型设计DFE(Environment)、PCB可制造设计DFF(FabricationofthePCB)、可服务设计DFS(Sourcing)、可靠性设计DFR(Reliability)等。这些都对设计师提出了更高的要求。本文主要以智能电冰箱为例进行了分析。智能电冰箱可以实现内部食材的智能化管理,将食材保持在最佳的储存状态;还可以通过WiFi联网,用户可以使用手机或者电脑对电冰箱进行查询、控制,并接受电冰箱的反馈信息等。电冰箱在长期使用过程中主要受到的环境应力主要有温度、湿度、振动、油烟等,并且整个系统也需要各种传感器、电机、WiFi模块等协同工作,电路系统比传统电冰箱复杂得多,也暴露了更多的可靠性问题。本文通过对智能家用电冰箱的电路板进行失效分析,提炼几个典型的与设计缺陷有关的失效机理。

2接口引入过电触发闩锁效应

2.1失效分析。电路板上微处理器IC1周围PCB上存在明显的发黄变色(如图1所示),可以确认此处曾经温度比较高。使用万用表测试确认电路板上电源对地短路,最终定位到短路发生在IC1内部,电路板上无其他电路短路。通过X射线检查发现IC1内部键合金丝过热熔断(如图2所示)。用化学方法开封IC1,IC1芯片表面塑料碳化,铝布线迁移,芯片表面熔融形成孔洞,其中最严重的是PIN8~PIN12处(如图3所示),呈现典型过热特征。电路分析如图4所示,PIN11、PIN12经100Ω的电阻器通过接口CN22连接到WiFi模块,用于冰箱联网。CN22与微处理器之间没有其他滤波电路,如果CN22处引入过电信号(静电、浪涌干扰信号、过压小脉冲)很可能对微处理器形成冲击,导致IC1工作异常。本次分析的电路板就是IC1发生了闩锁效应,芯片产生极大的过流和大面积过热烧毁。电路失效机理是连接WiFi模块的CN22处引入过电信号(静电、干扰信号、过压小脉冲),对微处理器形成冲击,导致IC1发生闩锁效应而烧毁。其失效的根本原因是由于IC1的PIN11、PIN12仅有100Ω的电阻器通过接口CN22外接到WiFi模块,没有其他滤波电路或者浪涌保护电路。2.2闩锁效应介绍。闩锁效应是CMOS集成电路的一种固有失效机理,是半导体器件失效的主要原因之一。在CMOS芯片中,在电源和地线之间由于寄生的PNP管和NPN管,组合成寄生晶闸管。当外来浪涌或者噪声使某个晶闸管开启的时候,就会引起连锁效应,形成电源和地之间的大电流通路,并且这种大电流的状态不会随着触发信号的消失而消失。在闩锁情况下,器件在电源与地之间发生短路,造成大电流过热、EOS过电和器件损坏[1]。闩锁效应最易产生在易受外部干扰的I/O电路处,也偶尔发生在内部电路。ESD相关的电压瞬变也会引起闩锁效应。抑制闩锁效应的方法有:1)在输入端和输出端加钳位电路,输出端不适宜接大电容器,一般应小于0.01μF。2)在靠近芯片的位置对芯片的电源输入端加去耦电路,防止VDD端出现瞬间的高压;在VDD和外电源之间加限流电阻。3)防止电感元件(电机、感性负载等)的反向感应电动势或电网噪声窜入低压电路,引起CMOS集成电路瞬时击穿而触发闩锁效应。4)强电和弱电信号线要分开,线材之间可能产生信号串扰。5)确保接地良好,避免金属外壳等的电压通过绝缘破裂的传感器线、电机线等串扰进电路板,最好这些线也有双层绝缘。2.3电路应力分析与改进。智能家电通过WiFi模块与网络连接,接受来自消费者的远程控制指令,反馈到微处理器,实现产品的远程控制功能。基本上所有智能家电都有这个功能或者模板,通过排线或者接插件与主板相连。这些模块都是低压信号,但是如果线路耦合到或者引入了浪涌信号,就会直接导入到微处理器中,导致微处理器出现功能异常,甚至击穿、烧毁。在电路设计上必须考虑在接口处增加过压过流防护措施,如共模线圈、TVS、磁珠等。针对智能家电产品,一个比较好的解决方式是在主板与WiFi模块的接口处安装器件瞬变电压抑制元件,以泄放浪涌电流或者抑制浪涌电压。瞬变电压抑制用二极管(TVS)是典型的保护元件,它的优势在于响应时间快、寿命较长、可以承受多次冲击,在数微秒的浪涌冲击下可以通过数千安培的电流。TVS特别适合智能家电这种板级及器件级的保护。

3电机反向过冲击穿芯片

3.1失效分析。电路板上+5V电源对地短路,+12V电源对地也短路。通过测试最终定位到分析器件为微处理器IC1内部的电源-地之间短路,电机驱动芯片IC7的电源-地之间短路。以化学方法开封微处理器,发现微处理器芯片上存在多处烧毁现象。其中PIN1(VSS)、PIN5(VDD)、PIN18(VAREF)、PIN19(AVDD)、PIN36~44管脚严重过流过热(如图5~8所示)。测量发现IC7的输出管脚PIN14、PIN15开路(正常应该与电源端PIN16存在二极管特性)。化学方法开封IC7芯片后,发现IC7芯片输出管脚PIN8、PIN9的输出三极管发射极烧毁,芯片表面铝布线呈现明显过流烧断,输出三极管存在击穿形貌(如图9~12所示)。电路设计为微处理器的PIN41~42作为IC7的控制信号,接到IC7的输入管脚,控制电机的输出。IC7芯片失效机理为输出端承受较大电浪涌,导致IC7输出端击穿烧毁,微处理器为连带失效。产生电浪涌的根本原因是步进电机谐波较大,产生较大的异常电压,反馈到触动电路的输出极,导致芯片失效。3.2电路应力分析与改进。芯片IC7的输出端(驱动电机端口)PIN8、PIN9呈现过流过压形貌,应该是从电机绕组反馈过来的过冲导致IC7和IC1失效。步进电机谐波较大,产生较大的异常电压,反馈到驱动电路的输出极,导致芯片失效。IC7的PIN14、15通过CN6接到电机绕组,仅各有一个0.01μF的滤波电容器(如图13所示)。从失效分析结果看,仅靠一个滤波电容器进行保护是不够的。需要对此进行特别设计,以消除绕组产生的瞬间反向电动势及其各谐波成分。电机作为感性负载,在其关断瞬间往往会感应出较高的浪涌电压,并可能往前级电路回灌,毁坏敏感器件,如此高的浪涌电压加到驱动开关管、驱动IC上时,就可能导致其被击穿[2]。常见的感性负载有电机、变压器、继电器的控制绕组等,长的导线也有不小的寄生电感。继电器中控制绕组的反向浪涌电压导致检测电路工作异常,产生长沙地铁1号线系统误报故障[3]的就是同一个失效机理。为了应对这种失效情况,必须采用专用的浪涌抑制器。

4传感器引入过压至微处理器

4.1失效分析。电路板上+5V电源对地短路,最终定位到微处理器IC1内部电源-地之间短路,电路板上其他元器件未发现异常。以化学方法开封微处理器后发现芯片上PIN54管脚的静电保护电路被烧毁,该保护电路的铝布线过热后析出,封装材料的塑料碳化(如图14、15所示)。图14微处理器形貌图15PIN54管脚处烧毁形貌芯片上的保护电路正常状态时不会工作,只有当外部管脚输入了一个过压时才会导通,起到保护内部电路的作用。当异常电压超过其保护限值时,就会导致芯片失效。失效的原因主要有两种:一种是电流过大而引起的热失效;一种是由于过大的电压直接引起栅氧化层的击穿。热失效是由于局部电流集中而形成较大的热量,使器件局部金属互连线熔化或芯片出现热斑,从而引起二次击穿。在本电路中PIN54管脚用作对环境温度的AD采样,通过连接器CN4接到外部的湿度传感器。环境温度传感器为热敏电阻,通过一个一阶低通滤波电路采样给微处理器PIN54管脚。一阶低通滤波器的缺点是高频频率曲线不够陡峭,滤波效果不够好。另外,实际电容器总是存在一定的串联电感器,从而使其理想电容特性的频率区间有限。考虑到电容器的寄生串联电感器,其高频滤波特性并不理想。因此常将不同电容量、不同类型的电容器并联使用,以扩大滤波的有效频率范围[4]。信号线走线太长也可能会产生较大的ESR(等效串联电阻)、ESL(等效串联电感)。失效机理为微处理器连接传感器的PIN54管脚引入了一个过压,导致该管脚的保护电路烧毁。4.2电路应力分析与改进。连接外部传感器(包括湿度传感器、温度传感器)的端口,一般引线较长,容易受到外界干扰、感应谐波信号;传感器处于低温低湿度环境,也容易受到静电影响。对于此类连接外部传感器的端口,最好增加滤除高频过压成分的过压过流防护措施,如共模线圈、TVS、磁珠、小电容器等,譬如在PCB上布局时更靠近微处理器的管脚增加0.01μF的电容器。

5结论

通过对智能电冰箱电路板的失效分析,其失效率最高的元器件是微处理器和驱动芯片,失效的主要原因是受到其他电路模块、传感器等引入的过电应力导致微处理器发生闩锁效应,最终微处理器过流过热烧毁,或受到来自外部电机等的过电应力导致微处理器和电机驱动芯片过电击穿。结合电路设计对过电来源进行分析,在电路设计上必须考虑增加过压过流防护措施,如共模线圈、TVS、磁珠等。

参考文献:

[1]牛征.CMOS电路中的闩锁效应研究[J].电子与封装,2007,7(3):24-27.

[2]庄奕琪.电子设计可靠性工程[M].西安:西安电子科技大学出版社,2014:103.

[3]谢智飞,吴凤玲,谢智翔.长沙地铁1号线车辆正线误报开门防夹故障原因分析及解决方案[J].技术与市场,2018,25(12):9-11.

[4]庄奕琪.电子设计可靠性工程[M].西安:西安电子科技大学出版社,2014:198-199.

作者:肖诗满 陈军 纪瑶 夏江 杨林 单位:1.工业和信息化部电子第五研究所 2.智能产品质量评价与可靠性保障技术工信部重点实验室

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