貼片共模線圈在汽車IVI主機熱沖擊試驗中的失效分析

陳超 馮曉宇 李嘉潔 辛聰

摘要：汽車IVI主機在進行設(shè)計驗證（DV）試驗的熱沖擊試驗過程中，出現(xiàn)不能識別USB的現(xiàn)象。我們從PCB板材、）設(shè)計與性能、以及生產(chǎn)工藝三個方面對問題進行逐步調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)在試驗過程中三防漆會致使共模線圈內(nèi)金屬引線折斷，最終導(dǎo)致失效問題。針對失效問題，我們提出了相應(yīng)的改善措施，最終可順利通過試驗。

關(guān)鍵詞：汽車IVI主機;熱沖擊試驗;貼片共模線圈;失效分析

中圖分類號：U

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-2550（2019）06-0080-06

Failure analysis of chip common-mode choke in thermal shock test

of the IVI host in vehicle

CHEN Chao， FENG Xiao-yu， LI Jia-jie， XIN Cong

（ Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd Automotive Engineering Institute，

Guangzhou511434， China ）

Abstract： USB cannot be recognized by the IVI host during the process of thermal shock test?in design verification. The failure phenomenon is conducted a gradual investigation from the?aspects of PCB plate， design and performance， and production technics. We find that-three-proofing?lacquer leads the metal wire within common-mode choke broken， and then leads?to failure. For the failure problem， we proposed the corresponding improvement method， and ultimately pass the test.

Key Words： IVI host; thermal shock test; chip common-mode choke; failure analysis

陳超

畢業(yè)于重慶大學(xué)自動化學(xué)院，碩士研究生學(xué)歷。目前就職于廣汽研究院，任硬件設(shè)計工程師，主要從事汽車中控信息娛樂系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計、智能座艙系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)工作。

引言

隨著汽車電子的高速發(fā)展，汽車電子化程度被看作是衡量現(xiàn)代汽車先進水平的重要標(biāo)志。電子技術(shù)的運用已經(jīng)滲人到汽車各個重要的操作系統(tǒng)，從而極大的提高了汽車的駕駛性能、經(jīng)濟性能以及安全性能【1】。然而，汽車所處的環(huán)境條件在很大程度上影響著內(nèi)部電子元器件的性能、功能以及壽命，而且不同安裝位置的電子元器件所承受的環(huán)境應(yīng)力也不盡相同【2】。因此，汽車電子產(chǎn)品的環(huán)境試驗要求極高，須經(jīng)歷嚴(yán)格的環(huán)境試驗的驗證。

IVI（In-Vehicle?Infotainment）主機是基于車身總線系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的中央處理器，可實現(xiàn)包括導(dǎo)航、輔助駕駛以及在線娛樂等多功能應(yīng)用【3】。在進行設(shè)計驗證（DV）試驗的熱沖擊試驗的過程中，IVI主機出現(xiàn)了USB不能識別的現(xiàn)象。對試驗件進行檢查，發(fā)現(xiàn)表貼共模線圈的金屬引線折斷，并對其進行了標(biāo)記。論文對共模線圈的失效原因分別從PCB板材、設(shè)計與性能、以及其生產(chǎn)工藝三個方面進行了分析。

1試驗方法介紹

所有安裝在汽車上的電子電氣零部件，通常必須滿足該企業(yè)內(nèi)部要求的全部DV試驗流程，其中熱沖擊試驗是對溫度要求最嚴(yán)苛的測試項目。

熱沖擊試驗用以驗證被測設(shè)備（DUT）對快速變化的環(huán)境溫度的適應(yīng)能力，適用汽車上所有安裝位置的電子電氣零部件。該試驗是由惡劣條件組成加速試驗，用來模擬大量溫度循環(huán)對電子模塊的作用，采用較快的溫度變化率和更寬的溫度變化范圍。

熱沖擊試驗的方法如下：試驗參照IEC60068-2-14進行，試驗參數(shù)見表1：

熱沖擊試驗的評價標(biāo)準(zhǔn)要求試驗后應(yīng)達(dá)到功能狀態(tài)等級（FSC）A。DUT的所有功能在試驗期間和之后均能夠執(zhí)行且在允許的公差范圍內(nèi)。

IVI主機的試驗結(jié)果為USB失效，及部分功能失效，且重啟后不能恢復(fù)，所以不能達(dá)到試驗要求。

2問題描述

熱沖擊試驗中的IVI主機的USB器件在PCB上的位置如圖1（a）所示，針對USB無法識別的現(xiàn)象，先對樣件進行了功能測試，然后用萬用表測量器件的導(dǎo)通性能，發(fā)現(xiàn)表貼共模線圈的接人（3）（4）之間無導(dǎo)通，判定為開路狀態(tài)，如圖1（b）所示。

（1）同時試驗的三臺機器，就有兩臺出現(xiàn)失效，因此在該試驗中共模線圈失效率較高;

（2）在額外的驗證試驗中，將單獨未貼片且無涂漆的共模線圈進行熱沖擊試驗，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)失效。

3原因調(diào)查

由于在熱沖擊中引起失效，需要著重從溫度變化引起變形應(yīng)力、器件自身環(huán)境試驗?zāi)褪苄?、器件電氣與結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面分析，另外也需要考慮是否存在工廠下線工藝不良造成物理損傷，歸類之后可按照如下故障樹分析法進行。

3.1PCB板材分析

IVI主機PCB試驗樣板采用的是FR-4環(huán)氧玻纖布基板。FR-4是以環(huán)氧樹脂做粘合劑，以電子級玻璃纖維布作增強材料的一類基板，它的粘結(jié)片和內(nèi)芯薄型覆銅板，是制作多層印制電路板的重要基板【4】。論文列舉了常用的幾種PCB板材的對比，見表2所示：

雖然高TG值的FR-4板材的耐熱性能較好，但多用在高速PCB中，板層一般要求≥14L。鋁基板雖然具有高度耐熱性和較好的熱傳導(dǎo)性，但價格較為偏高，而FR-4TG135的耐熱性不僅能滿足熱沖擊的要求，且性價比較高，因此在PCB板材中選擇FR-4TG135作為PCB基板。

該共模線圈物料在其他項目中有應(yīng)用，使用的是同樣的PCB板材，且通過在熱沖擊試驗和振動類試驗中均未失效，且觀測該板無明顯變形，因此排除由于PCB板材的原因而造成共模線圈失效的問題。

3.2設(shè)計與性能分析

3.2.1共模線圈試驗性能分析

電子元器件自身的規(guī)格參數(shù)必須首先滿足試驗要求。IVI主機PCB試驗樣板中表貼共模線圈采用的是國外A品牌廠家推薦的車規(guī)級產(chǎn)品，在USB信號上應(yīng)用，查閱該款共模線圈規(guī)格書可得：

貼片共模線圈在熱沖擊試驗中，試驗環(huán)境條件對比如下表3：

3.2.2共模線圈布局分析

貼片共模線圈在PCB板上的布局設(shè)計也是尤為重要。在布局設(shè)計中，應(yīng)使共模線圈承受板間的應(yīng)力均勻分布，否則容易造成PCB板斷裂失效。因此在布局設(shè)計過程中應(yīng)規(guī)避以下幾種布局情形：

（1）在PCB布局設(shè)計中，貼片共模線圈應(yīng)該遠(yuǎn)離穿孔部分放置，穿孔部分應(yīng)該設(shè)計的盡量窄，如圖3（a）所示;

（2）若PCB板上有連續(xù)過孔的話，由于應(yīng)力集中在過孔的中線上，所以貼片共模線圈不應(yīng)放置在過孔的中線上，如圖3（b）所示;

（3）若貼片共模線圈放在PCB板的上方，則支撐梢應(yīng)放在PCB板下方，以避免PCB形變，如圖3（e）所示：

因此，根據(jù)實際的IVI主機PCB布線圖可得，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)共模線圈布局放置符合要求，經(jīng)過對PCB板的檢查，并未出現(xiàn)斷裂情況，因此排除是由共模線圈布局不合理性引起的電路失效。

3.2.3共模線圈電氣參數(shù)及結(jié)構(gòu)對比分析

論文選取了國外四家知名的汽車電子產(chǎn)品供應(yīng)商的90Q阻抗用于差分信號線的共模線圈，對其電氣特性和結(jié)構(gòu)分別進行了對比，對比參數(shù)如表4所示：

本次IVI主機PCB板在做DV試驗中出現(xiàn)失效的共模線圈選擇的則是廠家A所提供的共模線圈，由表中可以看出，廠家B和C所提供的共模線圈在額定電壓和最大電壓均高于廠家A和D的，且其提供的共模線圈并非車載等級信號線用的，只是一般信號線用的產(chǎn)品，故并不適合IVI主機的汽車環(huán)境試驗;廠家D所提供的共模線圈在電氣特性上比廠家A的共模線圈具有較高的額定電壓和額定電流，且廠家D的共模線圈也是用作車載等級信號線用的，因此在電氣特性上廠家D的產(chǎn)品更優(yōu)于廠家A的。

在對廠家A和D的共模線圈進行結(jié)構(gòu)對比發(fā)現(xiàn)，兩家產(chǎn)品的封裝尺寸大小相同，但是兩家共模線圈的繞線方式不同，如圖5所示，圖5（a）為廠家A產(chǎn)品的繞線方式，圖5（b）為廠家D產(chǎn)品的繞線方式。

從圖中可以看出，圖5（a）中紅色標(biāo)記區(qū)域中的金屬引線為懸空狀態(tài)，如果涂上樹脂，樹脂容易滲透到紅色區(qū)域并與金屬引線接觸，考慮在熱沖擊試驗過程中，樹脂受到溫度沖擊后發(fā)生形變有可能會造成金屬引線折斷;圖5（b）中紅色區(qū)域中的焊盤較大，金屬引線在區(qū)域內(nèi)已有連接，并不存在引線懸空的情況，因此若涂上樹脂，樹脂接觸不到引線。如圖6所示，采用廠家A的共模線圈失效后的引線折斷視圖。

因此，綜上對各廠家的共模線圈的電器特性及結(jié)構(gòu)分析可得，針對廠家A的共模線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計，需選擇合適的三防漆及涂抹方式。

3.3生產(chǎn)流程分析

3.3.1清潔流程分析

在波峰焊接完成后，需進行錫面修補和檢查，部分工廠會有清潔要求。針對元件密度較高、間距較小的PCB板，如果存在焊錫珠，不僅會影響了PCB板的外觀，且對PCB板上電路安全造成一定的隱患【5】。如果隨時脫落，可能會造成電路短路。

由于共模線圈結(jié)構(gòu)的特殊性，工廠在清潔過程中，應(yīng)避免使用軟刷。如圖7所示，軟刷從貼片共模線圈周圍清掃，容易出現(xiàn)刷頭嵌入線圈，引起失效。

在隨后在生產(chǎn)流程的調(diào)查過程中，確認(rèn)并未，使用軟刷，且觀測該板未嵌人刷毛現(xiàn)象，可排除因軟刷清理焊錫珠而造成共模線圈失效的可能性。

3.3.2防潮工藝分析

一般工廠在進行功能等級測試（FCT）后，對板間器件進行涂防潮油處理會選用三防漆，用于保護線路板和相關(guān)設(shè)備免受環(huán)境的影響。

IVI主機的生產(chǎn)工廠原選用的是含有醇酸樹脂成分的三防漆。在熱沖擊試驗中，三防漆固化后遭受溫度變化導(dǎo)致熱脹冷縮，從而產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力【6】，由三防漆引起的形變會對共模線圈上的金屬引線進行擠壓，可能會導(dǎo)致金屬引線折斷。

我們對比了多家知名汽車電子產(chǎn)品供應(yīng)商的產(chǎn)品對生產(chǎn)后防潮工藝的要求，唯有A廠家提出了四點涂層相關(guān)的要求：（1）較高的樹脂固化應(yīng)力可能會改變阻抗值;（2）樹脂引起的機械應(yīng)力可能會導(dǎo)致開路;（3）樹脂中若含有雜質(zhì)或氯化物可能致使線圈腐蝕導(dǎo)致開路;（4）在使用樹脂涂.層之前，將產(chǎn)品貼裝到設(shè)備上進行可靠性評估。

與三防漆產(chǎn)品廠商深人交流后，了解到三防漆固化后的機械特性參數(shù)，例如硬度、抗拉強度等參數(shù)值越大，溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力越大。以下列舉三防漆廠商提供的四種產(chǎn)品的參數(shù)對比。由表5可見，醇酸樹脂三防漆性能中等，有機硅三防漆使用溫度范圍最廣，且比其他幾種三防漆有最小的硬度和抗拉強度。

因此可考慮選取有機硅三防漆進行涂層處理，再進行試驗論證。

4改善措施

針對共模線圈失效的問題，可選擇以下方式進行改善：1.更換不含樹脂的三防漆，選擇硬度較小、拉伸強度低的三防漆。2.更換結(jié)構(gòu)更優(yōu)的共模線圈。

因為三防漆對共模線圈的影響更需要驗證。鑒于A廠家的共模線圈對樹脂涂層的要求，結(jié)合IVI主機PCB板三防要求，決定對共模線圈處涂三防漆，因此結(jié)合上述對三防漆產(chǎn)品參數(shù)分析，選擇硬度和抗拉強度較低的有機硅三防漆重新進行DV試驗。

5試驗論證

在不更換原選用共模線圈的情況下，選用上述某廠商提供的有機硅三防漆（見表5）對IVI主機PCB樣件進行涂層處理。為了更好的明確三防漆對共模線圈失效問題的判斷，以及驗證三防漆用量對試驗的影響，分別選取3個樣件進行涂層（見圖8）：樣件A（少量涂抹有機硅）、樣件B（中量涂抹有機硅）、樣件C（大量涂抹有機硅），并在熱沖擊試驗過程中對樣件引出線每隔半小時進行通斷測量，直至完成熱沖擊試驗所要求的632個沖擊周期。最終試驗結(jié)果證明，三個樣件均能順利通過熱沖擊試驗，并未發(fā)生線圈失效問題，且USB上電后能正常識別。

綜上所述，在熱沖擊試驗中出現(xiàn)的IVI主機共模線圈的失效問題，是因選用的三防漆引起的，選用硬度和抗拉強度較低的三防漆產(chǎn)品，可有效的降低器件在熱沖擊試驗中受到的熱應(yīng)力，從而能有效避免失效問題的發(fā)生。

6總結(jié)

生產(chǎn)工藝是一個重要的環(huán)節(jié)，通常因工廠考慮成本的問題，會選擇性價比較高的含樹脂三防漆，并且像共模線圈這種小型器件若不涂三防漆則很容易在其他環(huán)境試驗中（例如濕熱耐久試驗）中因濕度過高而發(fā)生短路，因此為了能順利通過DV試驗，可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的共模線圈選擇合適的三防漆。

在器件設(shè)計布局上，不能離板邊距太近，且盡量避免布置在多個連續(xù)定位孔的中線上，以防受到的應(yīng)力不均勻?qū)е缕骷АＴ谛阅苌?，盡量選用車規(guī)級產(chǎn)品，這樣可保障在汽車環(huán)境試驗中的通過率。

論文結(jié)合了實際汽車IVI主機在DV試驗中所出現(xiàn)的問題，提出了相應(yīng)的分析方法，找到了引起器件失效的原因，給出了相應(yīng)的改善措施，并加以驗證。對從事汽車相關(guān)領(lǐng)域的從業(yè)者提供了一種參考方法，具有一定的實際運用意義。

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[6]張勇.熱障涂層高溫氧化和熱沖擊失效研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2005.

專家推薦

盛凱：

論文運用失效分析方法，對于在熱沖擊試驗過程中共模線圈金屬引線折斷的問題進行了分析，明確了相同專業(yè)從業(yè)者在線圈的選型，三防漆的選型應(yīng)注意的問題，具有實際的運用意義。