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失效物理技术失效物理技术在产品设计中的应用李少平工业和信息化部电子第五研究所李少平业和信息化部电子第五研究所元器件可靠性研究分析中心2017电路设计缺陷电路设计缺陷电路设计缺陷电路设计缺陷小能量量电压击击穿电路设计缺陷电路设计缺陷原新旧版DEL系统DEG系统485通讯电路旧版DEL系统485通讯电路讯电路新版DEL系统485通讯电路DEG系统的DEG系统通讯线上干扰（V1）对485作用的等效电路细节的问题新版D通讯线对48旧版DEL系统通讯线上干扰（V1）DEL系统线上干扰5作用的通讯线干扰对485作用的等效电路（V1）的等效电路路的细节的问题对MOV直接放电放电电压50V放电电压＝50VVz=10VMOV上的电压峰峰＝31.4V最大＝19.0V结论：MOV不能释放nS级的脉冲级的脉冲的细节的问题结论：100Ω与MOV串联，30V、nS级的脉冲在MOV上的电压为5.4V。（约1/6）通过100Ω对MOV放电放电电压放电电压＝30V100Ω上的电压波形（24.6V）R=100Ω的细节的问题结论：L1Ω与MOV串联，80V、nS级的脉冲在MOV上的电压为10.4V。（约1/8）通过L1对MOV放电放电电压＝80VMOV上的电压波形（10.4V）的细节的问题现场通讯线上的电压波形现场通讯线上的电压波形峰峰＝42.6V最大＝24.8V•同一机柜中•通讯线长≈60cm•通讯线长≈60cm•柜。门均接地•线槽无动力线波形出现在关机与系统功能转换时系统稳定工作状态无异常波形电路设计缺陷电路设计缺陷结论：通讯线容易发生电压串扰通讯线容易发生电压串扰瞬态抑制二极管不能有效释放nS级外部浪涌脉冲有效释放nS级外部浪涌脉冲通讯线路上的阻抗匹配电阻（100Ω）应在正电阻（100Ω）应在正确的位置，但。。。通讯线上串联的小电感可通讯线上串联的小电感可有效滤除高频干扰电路设计缺陷电路设计缺陷开关部件（VDMOS）热失效：缓慢开启，开时极大功耗；开快后，还出现振荡又热烧毁。开快后，还出现振荡又热烧毁。1慢启动时间过长引起开关管开启时过功率1慢启动时间过长，引起开关管开启时过功率2开关管在开启时处于放电状态，存在振荡电路设计缺陷电路设计缺陷现象：低亮度无故障由现象可以看到：与低亮无关汽车尾灯亮度异常•低亮度无故障•“异常亮”在：高亮后发生、高亮后重新启动高亮时发生（高亮过程与低亮无关与基极电流大小有关与高亮的启动有关总不跳变至异常亮）•基极回路电阻470Ω变为270Ω，异常下降甚至消除——高亮的启动状态与高亮工作后的结果有关（与高亮的时间间隔长短有关）常下降，甚至消除•异常时电流异常增大——250mA→1200mA（与高亮的时间间隔长短有关）——温度每个灯均工作在大电流状态•“异常”亮时，各灯亮度基本均匀——电流流向，电流增大的道理电流流向，电流增大的道理电路设计缺陷汽车尾灯亮度异常电路设计缺陷27.2V汽车尾灯亮度异常25mA12V（650mA）7.5V（270Ω：45mA）低亮度时电流在通路（红色箭头）电路设计缺陷电路设计缺陷D4M7SCR2C1μF/25VR4*27K电瓶+R2R1220ΩD1M7SCR1BT151-500RSCR2BT151-500RSCR3Z147μ2.7KQ1MMBT5401220ΩBATT1R551KSCR3MCR100-8Z213V16VC22200μF/35VR111K/1210R9R8R10*D710A12V/7AhR61K交流入～D5D3S1MD2S1MR751K/1210100K100KR107.5KVACG交流入～D510AD610AQ2MMBT5551C4103/400V接地C3103/250V•洗衣机电脑板•批量生产•批量生产,•失效电脑板DZ2位号稳压管（4.7V规格），两端电压实测40V5V电压实际测量47V最终不良现两端电压实测4.0V，5V电压实际测量4.7V，最终不良现象表现为触摸按键失效；•正常电脑板DZ2位号稳压管（47V规格），两端电压实测正常电脑板DZ2位号稳压管（4.7V规格），两端电压实测4.4V，5V电压实际测量5.0-5.1V；•拆下失效电脑板上稳压管DZ2位号进行单体测试，符合规拆下失效电脑板稳压管位号进行单体测试符合规格书要求。•DZ2Vz＝4.7V（4.61～4.79）（Iz＝5mA）•电路中Iz≈(547)÷(01＋056)=179mA•电路中，Iz≈(5－4.7)÷(0.1＋0.56)=1.79mA漏电（10MΩ），晶振不其振100MΩ！电路设计缺陷电路设计缺陷C11C14C11产品外观马达产生的产品外观马达产生的反向电压马达关时，产生大于100V反马达关时，产生大于00V反向电压，该电压通过管子S－G及S－D，引起SG或SD击穿而失效样品外观而失效缺马达反电势吸收电路势吸收电路电压击穿点关注内部浪涌电压电压击穿点芯片全貌的产生，并加以消除长线传输防护不当引起的失效输出偏差长线传输防护不当引起的失效输出偏差失效VA对-VS良品VA对-VSVA/VB(输入)连接到航空插座VA/VB(输入)连接到航空插座也属于”长线传输”长线传输防护不当引起的失效长线传输防护不当引起的失效C极B极VA输入端(Pn11)VA/VB输入端连VA/VB输入端连接到航空插座长线传输防护不当引起的失效长线传输防护不当引起的失效长线传输防护不当引起的失效长线传输防护不当引起的失效长线传输防护不当引起的失效长线传输防护不当引起的失效烧毁点Pin7输出驱动管形貌CAN总线数据传输端口电压击穿长线传输防护不当引起的失效长线传输防护不当引起的失效烧毁点烧毁点Pi7输出驱动管上烧毁形貌Pin7输出驱动管上烧毁形貌烧毁点Pin6输出驱动管形貌长线传输防护不当引起的失效长线传输防护不当引起的失效击穿点长线传输防护不当引起的失效鉴相器(ADF4108BCPZ)失效长线传输防护不当引起的失效鉴相器(ADF4108BCPZ)失效；排查:发现产品测试时，用来测试锁定指示的插头J30J-15ZKP没有用工装固定导致插头上自带的高J30J15ZKP没有用工装固定，导致插头上自带的高温导线金属内导体裸露端碰到仪器（电缆或者产品）的金属部位。反向击穿失效I-V正常I-V失效IV正常IV鉴相器长线传输防护不当引起的失效长线传输防护不当引起的失效长线传输防护不当引起的失效怀疑:交流电源使用的插线板接地不良导致测试系统机壳带电;长线传输防护不当引起的失效怀疑:交流电源使用的插线板接地不良导致测试系统机壳带电;模拟:引出端的高温导线金属内导体和仪器（线缆或者产品）的金属部位接触;模拟结果:观察到PLL电路输出射频信号立即失锁，鉴相器的锁定指示输出端为相应的LVTTL低电平(失效)。鉴相器失效表现:与现场调试试验雷同鉴相器失效表现:与现场调试试验雷同.进步进一步:长线端口的保护问题!!端口长线保护设计缺陷端口长线保护端口长线保护设计缺陷端口长线保护1＃现场可编程门阵列XCS30XLPin102端口现场可编程门阵列XCS30XL－工程失效P102端口网络过压击穿，击穿形成的短路通路导致端口金属化连线过电烧毁端口长线保护设计缺陷端口长线保护2＃Pin102端口击穿XCS30XL－工程失效2＃端口长线保护设计缺陷端口长线保护XCS30XL浪涌试验失效浪涌试验失效端口长线保护设计缺陷XCS30XL分析启发端口长线保护工程应用失效与浪涌试工程失效属于浪涌电压效与浪涌试验失效表征相同于浪涌电压－－脉冲大电压击穿失相同电压击穿失效失效端口Pi102Pin102相关外围电路易引入Pin102Pin102相同围电路易引入高压？Pin102重点防护端口长线保护设计缺陷控制措施：端口长线保护控制措施：通信接口IC端口保护措施：数据传输线最容易产生浪涌电压，传输线越长，出现浪涌电压的机会越大。浪涌电压通常来自雷击、传输线路感应、线路漏电等。浪涌电压通常来自雷击、传输线路感应、线路漏电等。485之类的接口芯片，其数据端口自身通常已经安排了端口保护网络，但其保护能力受到芯片面积的限制，往往需要外部保护才能有效预防传输线的浪涌电压保护才能有效预防传输线的浪涌电压。长线传输的IC端口外部（电路上）一定要加强浪涌电压的释放能力。通常使用瞬变二极管释放浪涌能量。另外，传输线路的屏蔽以及采用专用的数据传输线可降低线路受外界干扰路的屏蔽，以及采用专用的数据传输线可降低线路受外界干扰而产生浪涌电压（脉冲电压）。并确保有良好的接地。寄生参数问题电路设计缺陷寄生参数问题VDMOS用于逆变电源驱动部件，每板为逆变器的一相驱动。驱动部件包括驱动电路电源动部件包括：驱动电路、电源。电源输入电压为DC900V，电源输出多组电源提供逆变器驱动Q6输出多组电源提供逆变器驱动部件的电路工作。使用过程陆续失效出现失效，板上2只VDMOS均失效。Q5电路设计缺陷寄生参数问题寄生参数问题若现象若干现象电路设计缺陷寄生参数问题Q6Q5Q6芯片烧毁形貌寄生参数问题Q5芯片烧毁形貌电路设计缺陷寄生参数问题Q5寄生参数问题Q5Q6芯片烧毁不同特征Q5Q6芯片烧毁形貌Q5芯片烧毁形貌Q6电路设计缺陷寄生参数问题寄生参数问题•开关电源的开关管（Q5、Q6）大功率烧毁•烧毁时，Q6承受的功率比Q5大得多•PCBA上出现“爆板”均发生在Q5、Q6的电流回路PCBA上出现爆板均发生在Q5、Q6的电流回路上，属于连带失效•PCBA上其它失效的元器件均是Q5、Q6失效的连带PCBA上其它失效的元器件均是Q5、Q6失效的连带失效Q5、Q6因何大功率烧毁Q6为何承受比Q5大得多的功率Q6为何承受比Q5大得多的功率电路设计缺陷寄生参数问题寄生参数问题Q5的导通、直接由由脉宽调制器驱动，可确保其正常导通和截止Q6的G极是浮动状态Q6的G极是浮动状态：Q5导通→VDQ5下降→VGS6由反向逐步变为正向→Q6导通Q5截止→VDQ5上升→VGS6由正向逐步变为反向→Q6截止Q5截止→VDQ5上升→VGS6由正向逐步变为反向→Q6截止。关键是：Q6输入等效电容的电荷难以释放→Q5已经截止，Q6还未截止。此时，储能电感的反向电压主要落在Q5，Q5承受此电压而损伤，多次作用后，D、G、S漏电甚至短路→电源900V的电压主要落在Q6→Q6大功率烧毁电路设计缺陷寄生参数问题寄生参数问题（1）Q6的GS之间并联电阻作为Q6输入电容的释放回路（1）Q6的GS之间并联电阻，作为Q6输入电容的释放回路，提高Q6进入截止的速度。或：（2）采用高耐压的VDMOS场效应管（但1200V以上的管子难求，且成本会更高）电路设计缺陷寄生参数问题寄生参数问题设计缺陷参数匹配问题参数匹配问题故障现象：样品装在主机上工作工作周后样品装在主机上工作，工作一周后，出现过三次+5VDC电源输出端输出电压偏低现象（低于4.73V）。但离线样品编号输入电压负载+15V输出-15V输出+5V输出检测一周均未见异常。31229#+24VDC空载+30V锯齿波-30V锯齿波+5V锯齿波31230#+24VDC空载+30V锯齿波-30V锯齿波+5V锯齿波31229#+24VDC50%负载+15VDC-15VDC+5VDC31230#+24VDC50%负载+15VDC-15VDC+5VDC负载测试说明了：空载时±15V不受控；有负载后±15V才受控设计缺陷参数匹配问题参数匹配问题5V输出电压5V输出电压输出电流100A4.89V4.87V5.05V100mA250mA300mA模块输入负载电+5VDC端负载电+5VDC端负载电+5VDC端设计缺陷参数匹配问题模块编号输入电压负载电流+5VDC端输出电压负载电流+5VDC端输出电压负载电流+5VDC端输出电压29#+24V513V493V479V参数匹配问题29#+24V0.01A5.13V0.05A4.93V0.10A4.79V30#+24V5.22V5.02V4.89V29#+24V0.13A4.72V0.15A4.68V0.20A4.60V30#+24V4.83V4.79V4.72V30#24