某中頻控制器老煉后輸出異常的失效分析

鄒 偉，鄧 江，白 璐

（中國電子科技集團(tuán)第24研究所，重慶 400060）

某中頻控制器老煉后輸出異常的失效分析

鄒 偉，鄧 江，白 璐

（中國電子科技集團(tuán)第24研究所，重慶 400060）

產(chǎn)品的可靠性分析工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它貫穿了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、考核及用戶使用的整個(gè)生命周期。通過對(duì)成熟產(chǎn)品的失效分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)工藝結(jié)構(gòu)、考核試驗(yàn)、以及使用環(huán)境過程中存在的問題，指導(dǎo)設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品的研制階段進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性規(guī)劃，從而不斷提升設(shè)計(jì)師可靠性設(shè)計(jì)水平，提高產(chǎn)品的可靠性。本文通過對(duì)某中頻控制器在老煉后的異常情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品在環(huán)境試驗(yàn)中存在問題，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。本研究工作對(duì)于同類產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)、環(huán)境試驗(yàn)可靠性具有借鑒意義。

中頻控制器；熱設(shè)計(jì)；熱成像分析；失效分析

1 概述

某型中頻控制器為我所成熟貨架產(chǎn)品，該產(chǎn)品于2011年完成設(shè)計(jì)定型，已完成多批次生產(chǎn)供貨。

2015年8月，該產(chǎn)品在老煉篩選試驗(yàn)后，常溫測試中出現(xiàn)大批量電路失效的現(xiàn)象。由于該產(chǎn)品在老煉前測試中未出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，為了核實(shí)本次老煉后失效是否是批次性的產(chǎn)品質(zhì)量問題，因此進(jìn)行了詳細(xì)的失效原因分析。

2 失效原因分析

2．1 失效現(xiàn)象核查

經(jīng)查本批次共計(jì)370只投入老煉，老練后失效179只，主要有兩種失效現(xiàn)象：①正電源電流變?。ㄒ?guī)范≤90 mA，實(shí)際測試16.5-18.7 mA，合格電路為54.2～57.4mA），傳輸系數(shù)超標(biāo)（規(guī)范≥21 dB，實(shí)際測試-18.4～39.0 dB，合格電路為30.0～31.5 dB）；②傳輸系數(shù)變小，通斷比超標(biāo)。

2．2 失效原因分析

2.2.1 功能簡介

該中頻控制器是使用表面貼裝技術(shù)（SMT）工藝制造的模塊產(chǎn)品，主要由信道傳輸單元、電源轉(zhuǎn)換器單元和控制線路單元等組成。信道傳輸單元主要對(duì)產(chǎn)品的信號(hào)進(jìn)行放大與傳輸，電源轉(zhuǎn)換器單元主要對(duì)產(chǎn)品供電電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn) 換，控制線路單元主要對(duì)產(chǎn)品傳輸信道的通斷進(jìn)行控制。如圖1所示，產(chǎn)品信道傳輸部分包含一個(gè)前級(jí)低噪聲放大級(jí)、單刀單擲開關(guān)、中間級(jí)放大級(jí)（由NPN對(duì)管組成）、以及輸出級(jí)（由寬帶運(yùn)放組成）。產(chǎn)品輸入信號(hào)通過前級(jí)低噪聲放大器進(jìn)行初級(jí)放大，然 后通過單刀單擲開關(guān)來控制輸入信號(hào)的通斷，由中間級(jí)放大電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行二次放大，最后通過輸出級(jí)單元（由寬帶運(yùn)放組成）輸出。比較器主要負(fù)責(zé)對(duì)單刀單擲開關(guān)通斷控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的功能，主要影響產(chǎn)品的時(shí)間參數(shù)。電源轉(zhuǎn)換單元由一個(gè)15 V轉(zhuǎn)3 V基準(zhǔn)組成，為單刀單擲開關(guān)、比較器等提供電源；控制電路單元由高速比較器組成。

2.2.2 故障原因分析

1）開帽檢查

任意選取6只老煉后失效電路進(jìn)行開帽，發(fā)現(xiàn)失效電路內(nèi)部均存在焊錫二次熔化現(xiàn)象，個(gè)別元器件引腳端頭與焊盤脫離，如圖2所示。

圖1 某中頻控制器原理圖

該產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)成熟的模塊/組件 SMT工藝，內(nèi)部元器件采用179 ℃焊膏進(jìn)行組裝，若電路內(nèi)部溫度超過焊膏熔點(diǎn)溫度（179 ℃）后，器件內(nèi)部焊膏將發(fā)生二次熔化，可能導(dǎo)致元器件出現(xiàn)虛焊、脫落及短路等異?，F(xiàn)象。對(duì)6只失效電路焊錫進(jìn)行清理，元器件重新焊接后，電路均恢復(fù)正常。任意選取老煉后參數(shù)測試合格電路進(jìn)行開帽檢查，同樣發(fā)現(xiàn)了焊錫二次熔化的異?，F(xiàn)象。因此，分析確定電路老煉后典型失效是由于電路在老煉過程中經(jīng)歷了異常高溫導(dǎo)致焊錫二次熔化所致。

2）電路異常高溫的原因分析

電路在老煉過程中產(chǎn)生異常高溫，其原因有以下兩個(gè)方面：①老煉試驗(yàn)條件不當(dāng)；②老煉過程散熱不良。下面對(duì)兩種可能原因進(jìn)行分析排查：

①老煉試驗(yàn)條件不當(dāng)

該產(chǎn)品老煉時(shí)工作電源電壓為±15 V，正電源電流為57 mA，負(fù)電源電流為-15 mA，直流總功耗約為1 W。信號(hào)輸入輸出接50 Ω負(fù)載到地，屬于靜態(tài)老煉，無交流功耗。

通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱成像分析，產(chǎn)品正常工作時(shí)溫升約為30 ℃，而產(chǎn)品老煉溫度為環(huán)境溫度Ta=60 ℃。因此，正常情況下，單只電路老煉溫度（90℃）遠(yuǎn)低于焊膏熔點(diǎn)溫度（179 ℃），可以排除老煉試驗(yàn)條件不當(dāng)造成電路二次熔化。

圖2 失效電路開帽檢查

②老煉過程散熱不良

對(duì)整批電路老煉試驗(yàn)過程進(jìn)行排查：該產(chǎn)品采用高溫烘箱進(jìn)行老煉，為了最大化的使用烘箱，老煉時(shí)烘箱每次均全部裝滿，共計(jì)投入7塊老化板，每塊老化板老化數(shù)量50只。

電路自身散熱能力分析：根據(jù)單只電路老煉功耗1 W計(jì)算，電路散熱良好的情況下，電路總功耗為1 W×50×7=350 W。徹查電路老化板，電路老化板無輔助散熱措施，電路全部通過輻射散熱。即電路總體功耗大，自身散熱能力弱。

烘箱散熱能力分析：該老化箱為充氮烘箱，該設(shè)備自身的散氣孔較?。ㄔ撛O(shè)備散氣孔沒有風(fēng)門，不能進(jìn)行調(diào)節(jié)），并且老化箱內(nèi)的溫度傳感器固定在烘箱左側(cè)，熱源與通風(fēng)系統(tǒng)位于烘箱內(nèi)部右側(cè)。因此，從老煉烘箱來看，該老煉烘箱散熱及通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)能力較弱。

綜上所述，由于電路本身功耗較大，當(dāng)同時(shí)投入老化板數(shù)量較多時(shí)，將阻礙烘箱內(nèi)部空氣流動(dòng)，使得老化箱內(nèi)部熱量無法及時(shí)循環(huán)控制，將嚴(yán)重引起老化箱內(nèi)溫度分布不均，局部產(chǎn)生異常高溫，從而導(dǎo)致產(chǎn)品經(jīng)歷異常高溫而出現(xiàn)焊膏二次熔化失效。

3 糾正措施

1）就本次失效案列組織所有測試人員進(jìn)行培訓(xùn)，對(duì)功率較大器件進(jìn)行老煉時(shí)每批均須進(jìn)行烘箱溫度檢測，并嚴(yán)格控制單個(gè)老化箱老化板數(shù)量，定期巡查老化箱溫度，發(fā)現(xiàn)異常立即匯報(bào)。

圖3 熱成像圖

2）對(duì)產(chǎn)品老化板進(jìn)行優(yōu)化，減少每塊老化板上老煉電路數(shù)量，并對(duì)老化板增加散熱片，提升老化板自身的散熱能力。

3）對(duì)該批老煉后電參數(shù)測試合格電路，再次進(jìn)行溫度循環(huán)、恒定加速度、常溫測試等一系列試驗(yàn)評(píng)估。

4 結(jié)論

1）通過上述分析可以確定：本次產(chǎn)品老煉后典型失效是由于產(chǎn)品自身功耗較大，同時(shí)老煉數(shù)量較多，老煉過程中烘箱內(nèi)散熱不良導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部焊錫二次熔化，引起電路焊錫異常連接或器件脫落所致。

2）本次質(zhì)量問題主要暴露出：設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)老化試驗(yàn)中大功率產(chǎn)品老化的熱設(shè)計(jì)認(rèn)知不足，未能充分識(shí)別產(chǎn)品潛在的失效模式，老化板設(shè)計(jì)中未充分考慮大功率產(chǎn)品散熱問題。

[1] JERRY M. SODEN, RICHARD E.ANDERSON, IC failure analysis: techniques and tools for quality reliability improvement [G]. Proceedings of the IEEE,1993.

[2]總裝備部.GJB 548B-2005，微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2005.

[3] 樊融融. 現(xiàn)代電子裝聯(lián)工程應(yīng)用1000問 [G]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013.10.

[4] 羅道軍,賀光輝,鄒雅冰.電子組裝工藝可靠性技術(shù)與案例研究 [R].北京：電子工業(yè)出版社, 2015.9.

The Failure Analysis on A Type of IF Controller Aging Failure

ZOU Wei, DENG Jiang, BAI Lu
(The 24th Research Institute of CETC, Chongqing, 400060)

Reliability analysis of products is a systematic project, which runs through the product design, production, assessment and the entire life cycle for users. This paper found some questions in the design process structure, assessment tests, and using environment through the failure analysis of mature products, which can help designers make reliability plans during the development phase of the products, continuously improve the reliability design level of the designers and improve product reliability. In this article, we found some questions during the environmental tests of a certain product by discussing the abnormal conditions after the burn-in tests of the intermediate frequency controller, then proposed some improvement measures , which were meaningful for the thermal design,environmental test reliability of similar products .

intermediate frequency controller; thermal design; thermal imaging analysis; failure analysis

TN306

A

1004-7204(2017)04-0136-03

鄒偉，工程師，研究方向：從事電子元器件方面的失效分析以及IC可靠性設(shè)計(jì)工作。

鄧江，工程師，研究方向：從事IC設(shè)計(jì)工作。

白璐，高工，研究方向：從事電子元器件方面的失效分析以及IC可靠性設(shè)計(jì)工作。