導(dǎo)語(yǔ)：智能家電電路失效機(jī)理與設(shè)計(jì)缺陷一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：智能化家電電路功能繁多、系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)、制造、儲(chǔ)藏等過(guò)程存在瑕疵或故障，都會(huì)導(dǎo)致整機(jī)工作異常。收集了智能電冰箱在用戶現(xiàn)場(chǎng)的失效電路板，并進(jìn)行了失效分析，確認(rèn)其失效機(jī)理。提煉了幾個(gè)跟電路板的設(shè)計(jì)缺陷有關(guān)的典型失效機(jī)理，電路接口缺乏足夠?yàn)V波電路，串?dāng)_信號(hào)導(dǎo)致微處理器發(fā)生閂鎖效應(yīng)；電機(jī)等感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)反饋的電壓擊穿其驅(qū)動(dòng)芯片或者微處理器；傳感器接口引入異常電壓導(dǎo)致芯片失效等。針對(duì)以上設(shè)計(jì)缺陷，為了有效提高產(chǎn)品的可靠性、降低產(chǎn)品的返修率，提出電路設(shè)計(jì)時(shí)需要增加濾波和過(guò)壓保護(hù)措施和考慮可靠性設(shè)計(jì)（DFR）。

關(guān)鍵詞：智能家電；失效機(jī)理；閂鎖效應(yīng)；可靠性設(shè)計(jì)

1引言

智能家電已成為市場(chǎng)熱點(diǎn)，各企業(yè)也希望借智能空調(diào)、冰箱、電視突圍而出，因而加大了發(fā)展力度。智能家電以微處理器為大腦，輔以各種傳感器為感覺(jué)器官，通過(guò)WiFi來(lái)實(shí)現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程控制，甚至可以通過(guò)搭建智能化平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種電器產(chǎn)品的聯(lián)合控制。但是，相對(duì)于傳統(tǒng)電器來(lái)說(shuō)，智能家電的電路功能更加復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)、制造都提出了更高的要求。任何環(huán)節(jié)存在瑕疵或出現(xiàn)故障，都會(huì)產(chǎn)生不良后果，影響整機(jī)的功能。其中微處理器是智能家電的大腦，電路板的任何故障都會(huì)導(dǎo)致智能家電的停擺。對(duì)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)難度也更加復(fù)雜。隨著對(duì)可靠性和質(zhì)量的重視，DFX（DesignforX，面向產(chǎn)品生命周期某一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)）概念也在業(yè)界中推廣開(kāi)來(lái)。DFX中的X可以代表產(chǎn)品生命周期或其中任何環(huán)節(jié)，如可制造性設(shè)計(jì)DFM（Manufacture）、可測(cè)試設(shè)計(jì)DFT（Test）、可分析設(shè)計(jì)DFD（Diagnosibility）、可裝配設(shè)計(jì)DFA（Assembly）、環(huán)保型設(shè)計(jì)DFE（Environment）、PCB可制造設(shè)計(jì)DFF（FabricationofthePCB）、可服務(wù)設(shè)計(jì)DFS（Sourcing）、可靠性設(shè)計(jì)DFR（Reliability）等。這些都對(duì)設(shè)計(jì)師提出了更高的要求。本文主要以智能電冰箱為例進(jìn)行了分析。智能電冰箱可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部食材的智能化管理，將食材保持在最佳的儲(chǔ)存狀態(tài)；還可以通過(guò)WiFi聯(lián)網(wǎng)，用戶可以使用手機(jī)或者電腦對(duì)電冰箱進(jìn)行查詢、控制，并接受電冰箱的反饋信息等。電冰箱在長(zhǎng)期使用過(guò)程中主要受到的環(huán)境應(yīng)力主要有溫度、濕度、振動(dòng)、油煙等，并且整個(gè)系統(tǒng)也需要各種傳感器、電機(jī)、WiFi模塊等協(xié)同工作，電路系統(tǒng)比傳統(tǒng)電冰箱復(fù)雜得多，也暴露了更多的可靠性問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)智能家用電冰箱的電路板進(jìn)行失效分析，提煉幾個(gè)典型的與設(shè)計(jì)缺陷有關(guān)的失效機(jī)理。

2接口引入過(guò)電觸發(fā)閂鎖效應(yīng)

2.1失效分析。電路板上微處理器IC1周圍PCB上存在明顯的發(fā)黃變色（如圖1所示），可以確認(rèn)此處曾經(jīng)溫度比較高。使用萬(wàn)用表測(cè)試確認(rèn)電路板上電源對(duì)地短路，最終定位到短路發(fā)生在IC1內(nèi)部，電路板上無(wú)其他電路短路。通過(guò)X射線檢查發(fā)現(xiàn)IC1內(nèi)部鍵合金絲過(guò)熱熔斷（如圖2所示）。用化學(xué)方法開(kāi)封IC1，IC1芯片表面塑料碳化，鋁布線遷移，芯片表面熔融形成孔洞，其中最嚴(yán)重的是PIN8~PIN12處（如圖3所示），呈現(xiàn)典型過(guò)熱特征。電路分析如圖4所示，PIN11、PIN12經(jīng)100Ω的電阻器通過(guò)接口CN22連接到WiFi模塊，用于冰箱聯(lián)網(wǎng)。CN22與微處理器之間沒(méi)有其他濾波電路，如果CN22處引入過(guò)電信號(hào)（靜電、浪涌干擾信號(hào)、過(guò)壓小脈沖）很可能對(duì)微處理器形成沖擊，導(dǎo)致IC1工作異常。本次分析的電路板就是IC1發(fā)生了閂鎖效應(yīng)，芯片產(chǎn)生極大的過(guò)流和大面積過(guò)熱燒毀。電路失效機(jī)理是連接WiFi模塊的CN22處引入過(guò)電信號(hào)（靜電、干擾信號(hào)、過(guò)壓小脈沖），對(duì)微處理器形成沖擊，導(dǎo)致IC1發(fā)生閂鎖效應(yīng)而燒毀。其失效的根本原因是由于IC1的PIN11、PIN12僅有100Ω的電阻器通過(guò)接口CN22外接到WiFi模塊，沒(méi)有其他濾波電路或者浪涌保護(hù)電路。2.2閂鎖效應(yīng)介紹。閂鎖效應(yīng)是CMOS集成電路的一種固有失效機(jī)理，是半導(dǎo)體器件失效的主要原因之一。在CMOS芯片中，在電源和地線之間由于寄生的PNP管和NPN管，組合成寄生晶閘管。當(dāng)外來(lái)浪涌或者噪聲使某個(gè)晶閘管開(kāi)啟的時(shí)候，就會(huì)引起連鎖效應(yīng)，形成電源和地之間的大電流通路，并且這種大電流的狀態(tài)不會(huì)隨著觸發(fā)信號(hào)的消失而消失。在閂鎖情況下，器件在電源與地之間發(fā)生短路，造成大電流過(guò)熱、EOS過(guò)電和器件損壞[1]。閂鎖效應(yīng)最易產(chǎn)生在易受外部干擾的I/O電路處,也偶爾發(fā)生在內(nèi)部電路。ESD相關(guān)的電壓瞬變也會(huì)引起閂鎖效應(yīng)。抑制閂鎖效應(yīng)的方法有：1)在輸入端和輸出端加鉗位電路，輸出端不適宜接大電容器，一般應(yīng)小于0.01μF。2)在靠近芯片的位置對(duì)芯片的電源輸入端加去耦電路，防止VDD端出現(xiàn)瞬間的高壓；在VDD和外電源之間加限流電阻。3)防止電感元件（電機(jī)、感性負(fù)載等）的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或電網(wǎng)噪聲竄入低壓電路，引起CMOS集成電路瞬時(shí)擊穿而觸發(fā)閂鎖效應(yīng)。4)強(qiáng)電和弱電信號(hào)線要分開(kāi)，線材之間可能產(chǎn)生信號(hào)串?dāng)_。5)確保接地良好，避免金屬外殼等的電壓通過(guò)絕緣破裂的傳感器線、電機(jī)線等串?dāng)_進(jìn)電路板，最好這些線也有雙層絕緣。2.3電路應(yīng)力分析與改進(jìn)。智能家電通過(guò)WiFi模塊與網(wǎng)絡(luò)連接，接受來(lái)自消費(fèi)者的遠(yuǎn)程控制指令，反饋到微處理器，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程控制功能。基本上所有智能家電都有這個(gè)功能或者模板，通過(guò)排線或者接插件與主板相連。這些模塊都是低壓信號(hào)，但是如果線路耦合到或者引入了浪涌信號(hào)，就會(huì)直接導(dǎo)入到微處理器中，導(dǎo)致微處理器出現(xiàn)功能異常，甚至擊穿、燒毀。在電路設(shè)計(jì)上必須考慮在接口處增加過(guò)壓過(guò)流防護(hù)措施，如共模線圈、TVS、磁珠等。針對(duì)智能家電產(chǎn)品，一個(gè)比較好的解決方式是在主板與WiFi模塊的接口處安裝器件瞬變電壓抑制元件，以泄放浪涌電流或者抑制浪涌電壓。瞬變電壓抑制用二極管（TVS）是典型的保護(hù)元件，它的優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)時(shí)間快、壽命較長(zhǎng)、可以承受多次沖擊，在數(shù)微秒的浪涌沖擊下可以通過(guò)數(shù)千安培的電流。TVS特別適合智能家電這種板級(jí)及器件級(jí)的保護(hù)。

3電機(jī)反向過(guò)沖擊穿芯片

3.1失效分析。電路板上+5V電源對(duì)地短路，+12V電源對(duì)地也短路。通過(guò)測(cè)試最終定位到分析器件為微處理器IC1內(nèi)部的電源-地之間短路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IC7的電源-地之間短路。以化學(xué)方法開(kāi)封微處理器，發(fā)現(xiàn)微處理器芯片上存在多處燒毀現(xiàn)象。其中PIN1（VSS）、PIN5（VDD）、PIN18（VAREF）、PIN19（AVDD）、PIN36~44管腳嚴(yán)重過(guò)流過(guò)熱（如圖5~8所示）。測(cè)量發(fā)現(xiàn)IC7的輸出管腳PIN14、PIN15開(kāi)路（正常應(yīng)該與電源端PIN16存在二極管特性）?；瘜W(xué)方法開(kāi)封IC7芯片后，發(fā)現(xiàn)IC7芯片輸出管腳PIN8、PIN9的輸出三極管發(fā)射極燒毀，芯片表面鋁布線呈現(xiàn)明顯過(guò)流燒斷，輸出三極管存在擊穿形貌（如圖9~12所示）。電路設(shè)計(jì)為微處理器的PIN41~42作為IC7的控制信號(hào)，接到IC7的輸入管腳，控制電機(jī)的輸出。IC7芯片失效機(jī)理為輸出端承受較大電浪涌，導(dǎo)致IC7輸出端擊穿燒毀，微處理器為連帶失效。產(chǎn)生電浪涌的根本原因是步進(jìn)電機(jī)諧波較大，產(chǎn)生較大的異常電壓，反饋到觸動(dòng)電路的輸出極，導(dǎo)致芯片失效。3.2電路應(yīng)力分析與改進(jìn)。芯片IC7的輸出端（驅(qū)動(dòng)電機(jī)端口）PIN8、PIN9呈現(xiàn)過(guò)流過(guò)壓形貌，應(yīng)該是從電機(jī)繞組反饋過(guò)來(lái)的過(guò)沖導(dǎo)致IC7和IC1失效。步進(jìn)電機(jī)諧波較大，產(chǎn)生較大的異常電壓，反饋到驅(qū)動(dòng)電路的輸出極，導(dǎo)致芯片失效。IC7的PIN14、15通過(guò)CN6接到電機(jī)繞組，僅各有一個(gè)0.01μF的濾波電容器（如圖13所示）。從失效分析結(jié)果看，僅靠一個(gè)濾波電容器進(jìn)行保護(hù)是不夠的。需要對(duì)此進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，以消除繞組產(chǎn)生的瞬間反向電動(dòng)勢(shì)及其各諧波成分。電機(jī)作為感性負(fù)載，在其關(guān)斷瞬間往往會(huì)感應(yīng)出較高的浪涌電壓，并可能往前級(jí)電路回灌，毀壞敏感器件，如此高的浪涌電壓加到驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管、驅(qū)動(dòng)IC上時(shí)，就可能導(dǎo)致其被擊穿[2]。常見(jiàn)的感性負(fù)載有電機(jī)、變壓器、繼電器的控制繞組等，長(zhǎng)的導(dǎo)線也有不小的寄生電感。繼電器中控制繞組的反向浪涌電壓導(dǎo)致檢測(cè)電路工作異常，產(chǎn)生長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線系統(tǒng)誤報(bào)故障[3]的就是同一個(gè)失效機(jī)理。為了應(yīng)對(duì)這種失效情況，必須采用專用的浪涌抑制器。

4傳感器引入過(guò)壓至微處理器

4.1失效分析。電路板上+5V電源對(duì)地短路，最終定位到微處理器IC1內(nèi)部電源-地之間短路，電路板上其他元器件未發(fā)現(xiàn)異常。以化學(xué)方法開(kāi)封微處理器后發(fā)現(xiàn)芯片上PIN54管腳的靜電保護(hù)電路被燒毀，該保護(hù)電路的鋁布線過(guò)熱后析出，封裝材料的塑料碳化（如圖14、15所示）。圖14微處理器形貌圖15PIN54管腳處燒毀形貌芯片上的保護(hù)電路正常狀態(tài)時(shí)不會(huì)工作，只有當(dāng)外部管腳輸入了一個(gè)過(guò)壓時(shí)才會(huì)導(dǎo)通，起到保護(hù)內(nèi)部電路的作用。當(dāng)異常電壓超過(guò)其保護(hù)限值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致芯片失效。失效的原因主要有兩種：一種是電流過(guò)大而引起的熱失效；一種是由于過(guò)大的電壓直接引起柵氧化層的擊穿。熱失效是由于局部電流集中而形成較大的熱量，使器件局部金屬互連線熔化或芯片出現(xiàn)熱斑，從而引起二次擊穿。在本電路中PIN54管腳用作對(duì)環(huán)境溫度的AD采樣，通過(guò)連接器CN4接到外部的濕度傳感器。環(huán)境溫度傳感器為熱敏電阻，通過(guò)一個(gè)一階低通濾波電路采樣給微處理器PIN54管腳。一階低通濾波器的缺點(diǎn)是高頻頻率曲線不夠陡峭，濾波效果不夠好。另外，實(shí)際電容器總是存在一定的串聯(lián)電感器，從而使其理想電容特性的頻率區(qū)間有限?？紤]到電容器的寄生串聯(lián)電感器，其高頻濾波特性并不理想。因此常將不同電容量、不同類型的電容器并聯(lián)使用，以擴(kuò)大濾波的有效頻率范圍[4]。信號(hào)線走線太長(zhǎng)也可能會(huì)產(chǎn)生較大的ESR（等效串聯(lián)電阻）、ESL（等效串聯(lián)電感）。失效機(jī)理為微處理器連接傳感器的PIN54管腳引入了一個(gè)過(guò)壓，導(dǎo)致該管腳的保護(hù)電路燒毀。4.2電路應(yīng)力分析與改進(jìn)。連接外部傳感器（包括濕度傳感器、溫度傳感器）的端口，一般引線較長(zhǎng)，容易受到外界干擾、感應(yīng)諧波信號(hào)；傳感器處于低溫低濕度環(huán)境，也容易受到靜電影響。對(duì)于此類連接外部傳感器的端口，最好增加濾除高頻過(guò)壓成分的過(guò)壓過(guò)流防護(hù)措施，如共模線圈、TVS、磁珠、小電容器等，譬如在PCB上布局時(shí)更靠近微處理器的管腳增加0.01μF的電容器。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)智能電冰箱電路板的失效分析，其失效率最高的元器件是微處理器和驅(qū)動(dòng)芯片，失效的主要原因是受到其他電路模塊、傳感器等引入的過(guò)電應(yīng)力導(dǎo)致微處理器發(fā)生閂鎖效應(yīng)，最終微處理器過(guò)流過(guò)熱燒毀，或受到來(lái)自外部電機(jī)等的過(guò)電應(yīng)力導(dǎo)致微處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片過(guò)電擊穿。結(jié)合電路設(shè)計(jì)對(duì)過(guò)電來(lái)源進(jìn)行分析，在電路設(shè)計(jì)上必須考慮增加過(guò)壓過(guò)流防護(hù)措施，如共模線圈、TVS、磁珠等。

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作者:肖詩(shī)滿 陳軍 紀(jì)瑤 夏江 楊林 單位:1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 2.智能產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)與可靠性保障技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室