導語：智能家電電路失效機理與設計缺陷一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創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、系統復雜，系統和電路設計、制造、儲藏等過程存在瑕疵或故障，都會導致整機工作異常。收集了智能電冰箱在用戶現場的失效電路板，并進行了失效分析，確認其失效機理。提煉了幾個跟電路板的設計缺陷有關的典型失效機理，電路接口缺乏足夠濾波電路，串擾信號導致微處理器發生閂鎖效應；電機等感性負載關斷時反饋的電壓擊穿其驅動芯片或者微處理器；傳感器接口引入異常電壓導致芯片失效等。針對以上設計缺陷，為了有效提高產品的可靠性、降低產品的返修率，提出電路設計時需要增加濾波和過壓保護措施和考慮可靠性設計（DFR）。

關鍵詞：智能家電；失效機理；閂鎖效應；可靠性設計

1引言

智能家電已成為市場熱點，各企業也希望借智能空調、冰箱、電視突圍而出，因而加大了發展力度。智能家電以微處理器為大腦，輔以各種傳感器為感覺器官，通過WiFi來實現家電的遠程控制，甚至可以通過搭建智能化平臺來實現各種電器產品的聯合控制。但是，相對于傳統電器來說，智能家電的電路功能更加復雜，對設計、制造都提出了更高的要求。任何環節存在瑕疵或出現故障，都會產生不良后果，影響整機的功能。其中微處理器是智能家電的大腦，電路板的任何故障都會導致智能家電的停擺。對于復雜的設計系統來說，設計難度也更加復雜。隨著對可靠性和質量的重視，DFX（DesignforX，面向產品生命周期某一環節的設計）概念也在業界中推廣開來。DFX中的X可以代表產品生命周期或其中任何環節，如可制造性設計DFM（Manufacture）、可測試設計DFT（Test）、可分析設計DFD（Diagnosibility）、可裝配設計DFA（Assembly）、環保型設計DFE（Environment）、PCB可制造設計DFF（FabricationofthePCB）、可服務設計DFS（Sourcing）、可靠性設計DFR（Reliability）等。這些都對設計師提出了更高的要求。本文主要以智能電冰箱為例進行了分析。智能電冰箱可以實現內部食材的智能化管理，將食材保持在最佳的儲存狀態；還可以通過WiFi聯網，用戶可以使用手機或者電腦對電冰箱進行查詢、控制，并接受電冰箱的反饋信息等。電冰箱在長期使用過程中主要受到的環境應力主要有溫度、濕度、振動、油煙等，并且整個系統也需要各種傳感器、電機、WiFi模塊等協同工作，電路系統比傳統電冰箱復雜得多，也暴露了更多的可靠性問題。本文通過對智能家用電冰箱的電路板進行失效分析，提煉幾個典型的與設計缺陷有關的失效機理。

2接口引入過電觸發閂鎖效應

2.1失效分析。電路板上微處理器IC1周圍PCB上存在明顯的發黃變色（如圖1所示），可以確認此處曾經溫度比較高。使用萬用表測試確認電路板上電源對地短路，最終定位到短路發生在IC1內部，電路板上無其他電路短路。通過X射線檢查發現IC1內部鍵合金絲過熱熔斷（如圖2所示）。用化學方法開封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，其中最嚴重的是PIN8~PIN12處（如圖3所示），呈現典型過熱特征。電路分析如圖4所示，PIN11、PIN12經100Ω的電阻器通過接口CN22連接到WiFi模塊，用于冰箱聯網。CN22與微處理器之間沒有其他濾波電路，如果CN22處引入過電信號（靜電、浪涌干擾信號、過壓小脈沖）很可能對微處理器形成沖擊，導致IC1工作異常。本次分析的電路板就是IC1發生了閂鎖效應，芯片產生極大的過流和大面積過熱燒毀。電路失效機理是連接WiFi模塊的CN22處引入過電信號（靜電、干擾信號、過壓小脈沖），對微處理器形成沖擊，導致IC1發生閂鎖效應而燒毀。其失效的根本原因是由于IC1的PIN11、PIN12僅有100Ω的電阻器通過接口CN22外接到WiFi模塊，沒有其他濾波電路或者浪涌保護電路。2.2閂鎖效應介紹。閂鎖效應是CMOS集成電路的一種固有失效機理，是半導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。當外來浪涌或者噪聲使某個晶閘管開啟的時候，就會引起連鎖效應，形成電源和地之間的大電流通路，并且這種大電流的狀態不會隨著觸發信號的消失而消失。在閂鎖情況下，器件在電源與地之間發生短路，造成大電流過熱、EOS過電和器件損壞[1]。閂鎖效應最易產生在易受外部干擾的I/O電路處,也偶爾發生在內部電路。ESD相關的電壓瞬變也會引起閂鎖效應。抑制閂鎖效應的方法有：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，一般應小于0.01μF。2)在靠近芯片的位置對芯片的電源輸入端加去耦電路，防止VDD端出現瞬間的高壓；在VDD和外電源之間加限流電阻。3)防止電感元件（電機、感性負載等）的反向感應電動勢或電網噪聲竄入低壓電路，引起CMOS集成電路瞬時擊穿而觸發閂鎖效應。4)強電和弱電信號線要分開，線材之間可能產生信號串擾。5)確保接地良好，避免金屬外殼等的電壓通過絕緣破裂的傳感器線、電機線等串擾進電路板，最好這些線也有雙層絕緣。2.3電路應力分析與改進。智能家電通過WiFi模塊與網絡連接，接受來自消費者的遠程控制指令，反饋到微處理器，實現產品的遠程控制功能。基本上所有智能家電都有這個功能或者模板，通過排線或者接插件與主板相連。這些模塊都是低壓信號，但是如果線路耦合到或者引入了浪涌信號，就會直接導入到微處理器中，導致微處理器出現功能異常，甚至擊穿、燒毀。在電路設計上必須考慮在接口處增加過壓過流防護措施，如共模線圈、TVS、磁珠等。針對智能家電產品，一個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）是典型的保護元件，它的優勢在于響應時間快、壽命較長、可以承受多次沖擊，在數微秒的浪涌沖擊下可以通過數千安培的電流。TVS特別適合智能家電這種板級及器件級的保護。

3電機反向過沖擊穿芯片

3.1失效分析。電路板上+5V電源對地短路，+12V電源對地也短路。通過測試最終定位到分析器件為微處理器IC1內部的電源-地之間短路，電機驅動芯片IC7的電源-地之間短路。以化學方法開封微處理器，發現微處理器芯片上存在多處燒毀現象。其中PIN1（VSS）、PIN5（VDD）、PIN18（VAREF）、PIN19（AVDD）、PIN36~44管腳嚴重過流過熱（如圖5~8所示）。測量發現IC7的輸出管腳PIN14、PIN15開路（正常應該與電源端PIN16存在二極管特性）。化學方法開封IC7芯片后，發現IC7芯片輸出管腳PIN8、PIN9的輸出三極管發射極燒毀，芯片表面鋁布線呈現明顯過流燒斷，輸出三極管存在擊穿形貌（如圖9~12所示）。電路設計為微處理器的PIN41~42作為IC7的控制信號，接到IC7的輸入管腳，控制電機的輸出。IC7芯片失效機理為輸出端承受較大電浪涌，導致IC7輸出端擊穿燒毀，微處理器為連帶失效。產生電浪涌的根本原因是步進電機諧波較大，產生較大的異常電壓，反饋到觸動電路的輸出極，導致芯片失效。3.2電路應力分析與改進。芯片IC7的輸出端（驅動電機端口）PIN8、PIN9呈現過流過壓形貌，應該是從電機繞組反饋過來的過沖導致IC7和IC1失效。步進電機諧波較大，產生較大的異常電壓，反饋到驅動電路的輸出極，導致芯片失效。IC7的PIN14、15通過CN6接到電機繞組，僅各有一個0.01μF的濾波電容器（如圖13所示）。從失效分析結果看，僅靠一個濾波電容器進行保護是不夠的。需要對此進行特別設計，以消除繞組產生的瞬間反向電動勢及其各諧波成分。電機作為感性負載，在其關斷瞬間往往會感應出較高的浪涌電壓，并可能往前級電路回灌，毀壞敏感器件，如此高的浪涌電壓加到驅動開關管、驅動IC上時，就可能導致其被擊穿[2]。常見的感性負載有電機、變壓器、繼電器的控制繞組等，長的導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致檢測電路工作異常，產生長沙地鐵1號線系統誤報故障[3]的就是同一個失效機理。為了應對這種失效情況，必須采用專用的浪涌抑制器。

4傳感器引入過壓至微處理器

4.1失效分析。電路板上+5V電源對地短路，最終定位到微處理器IC1內部電源-地之間短路，電路板上其他元器件未發現異常。以化學方法開封微處理器后發現芯片上PIN54管腳的靜電保護電路被燒毀，該保護電路的鋁布線過熱后析出，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電路正常狀態時不會工作，只有當外部管腳輸入了一個過壓時才會導通，起到保護內部電路的作用。當異常電壓超過其保護限值時，就會導致芯片失效。失效的原因主要有兩種：一種是電流過大而引起的熱失效；一種是由于過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熱斑，從而引起二次擊穿。在本電路中PIN54管腳用作對環境溫度的AD采樣，通過連接器CN4接到外部的濕度傳感器。環境溫度傳感器為熱敏電阻，通過一個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是高頻頻率曲線不夠陡峭，濾波效果不夠好。另外，實際電容器總是存在一定的串聯電感器，從而使其理想電容特性的頻率區間有限。考慮到電容器的寄生串聯電感器，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使用，以擴大濾波的有效頻率范圍[4]。信號線走線太長也可能會產生較大的ESR（等效串聯電阻）、ESL（等效串聯電感）。失效機理為微處理器連接傳感器的PIN54管腳引入了一個過壓，導致該管腳的保護電路燒毀。4.2電路應力分析與改進。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，容易受到外界干擾、感應諧波信號；傳感器處于低溫低濕度環境，也容易受到靜電影響。對于此類連接外部傳感器的端口，最好增加濾除高頻過壓成分的過壓過流防護措施，如共模線圈、TVS、磁珠、小電容器等，譬如在PCB上布局時更靠近微處理器的管腳增加0.01μF的電容器。

5結論

通過對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動芯片，失效的主要原因是受到其他電路模塊、傳感器等引入的過電應力導致微處理器發生閂鎖效應，最終微處理器過流過熱燒毀，或受到來自外部電機等的過電應力導致微處理器和電機驅動芯片過電擊穿。結合電路設計對過電來源進行分析，在電路設計上必須考慮增加過壓過流防護措施，如共模線圈、TVS、磁珠等。

參考文獻：

[1]牛征.CMOS電路中的閂鎖效應研究[J].電子與封裝,2007,7(3):24-27.

[2]莊奕琪.電子設計可靠性工程[M].西安:西安電子科技大學出版社,2014:103.

[3]謝智飛,吳鳳玲,謝智翔.長沙地鐵1號線車輛正線誤報開門防夾故障原因分析及解決方案[J].技術與市場,2018,25(12):9-11.

[4]莊奕琪.電子設計可靠性工程[M].西安:西安電子科技大學出版社,2014:198-199.

作者:肖詩滿 陳軍 紀瑤 夏江 楊林 單位:1.工業和信息化部電子第五研究所 2.智能產品質量評價與可靠性保障技術工信部重點實驗室