3失效分析经典案例-设计缺陷案例
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电阻(100Ω)应在正 确的位置,但。。。 9通讯线上串联的小电感可 有效滤除高频干扰
细节的问题
现场通讯线上的电压波形 9峰峰=42.6V 9最大=24.8V
•同一机柜中 •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
输出偏差
失效VA对-VS 良品VA对-VS
进一步: 长线端口的保护问题!!
设计缺陷
端口长线保护
1# Pin102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
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
Pin102端口
2#
XCS30XL-工程失效
击穿
设计缺陷
R= 100 Ω
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=80V MOV上的电压波形(10.4V)
电路设计缺陷
结论: 9通讯线容易发生电压串扰 9瞬态抑制二极管不能
有效释放nS级外部浪涌脉冲 9通讯线路上的阻抗匹配
设计缺陷
端口长线保护
XCS30XL分析启发
工程应用失 效与浪涌试 验失效表征 相同
工程失效属 于浪涌电压 --脉冲大 电压击穿失 效
Pin102 重点防护
失效端口 Pin102
相同
Pin102相关外 围电路易引入 高压?
电路设计缺陷
开关部件(VDMOS)热失效: 9缓慢开启,开时极大功耗; 9开快后,还出现振荡又热烧毁。
D3
R7
R8
R9
100K 100K
R10* 7.5K
S1M
51K/1210
D2
交流入~
D5 10A
接地
S1M D6
10A
C4 103/400V
Q2 C3 MMBT5551
电路设计缺陷
汽车尾灯亮度异常
27.2V
7.5V
12V 25mA
(270Ω:45mA)
(650mA)
低亮度时电流在通路(红色箭头)
5W-47Ω电阻器,三只串连,对电容器充 电,充电时每只电阻器承受250V脉冲电 压,脉冲功率为1330W。在产品试验时失 效,表现为开路或阻值增大。
VA/VB(输入)连接到航空插座 也属于”长线传输”
VA输入端(Pn11)
VA/VB输入端连 接到航空插座
C极 B极
烧毁点
Pin7输出驱动管形貌
CAN总线数据传输端口电压击穿
烧毁点
Pin7输出驱动管上烧毁形貌
烧毁点
Pin6输出驱动管形貌
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 温导线金属内导反向体击穿裸露端碰到仪器(电缆或者产品) 的金属部位。
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
元器件可靠性研究分析中心
2013
电路设计缺陷
失效分析技术在产品设计中的应用
• 电路设计缺陷引起的失效 • 匹配不当引起的失效 • 参数分布引起的失效 • 长线传输保护不当引起的失效 • 热设计不当引起的失效 • 固有机理和固有薄弱的防护 • 环境适应性考虑 • 结构问题
电路设计缺陷
小 能 量 电 压 击 穿
电路设计缺陷
百度文库
原
新
旧版DEL系统 485通讯电路
DEG系统485 通讯电路
新版DEL系统 485通讯电路
细节的问题
对MOV直接放电 放电电压=50V
MOV上的电压 峰峰=31.4V 最大=19.0V
Vz=10V
结论: MOV不能释放 nS级的脉冲
细节的问题
DEG系统 通讯线上干扰(V1) 对485作用的等效电路
端口长线保护
XCS30XL 浪涌试验失效
设计缺陷
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。 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。 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而 产生浪涌电压(脉冲电压)。并确保有良好的接地。
脉冲大电压
• “异常”亮时,各灯亮度基本均匀
由现象可以看到:
¾ 与低亮无关 ¾ 与基极电流大小有关 ¾ 与高亮的启动有关
——高亮的启动状态
¾ 与高亮工作后的结果有关 (与高亮的时间间隔长短有关)
——温度 ¾ 每个灯均工作在大电流状态
——电流流向,电流增大的道理
电路设计缺陷
电瓶+
103/250V 47μF/25V
2200μF/35V
R1
R2 220Ω
220Ω
SCR2
D4 M7
C1
R4* 2.7K
BT151-500R
SCR1
D1 M7
R5 51K
Q1 MMBT5401
BATT1 12V/7Ah
交流入~
BT151-500R
ACG
SCR3
Z1
MCR100-8
16V
Z2 13V
R6
1K R11
C2
D7 10A
1K/1210
失效I-V
正常I-V
鉴相器
击穿点
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.
DEL V
旧版DEL系统 通讯线上干扰(V1) 对485作用的等效电路
对通新
讯版
48 线
5作 用 的 等
上 干 扰 (
系 统
效
电 路
1)
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=30V 100 Ω上的电压波形(24.6V)
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
汽车尾灯亮度异常 现象:
• 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(高亮过程总 不跳变至异常亮)
• 基极回路电阻470Ω变为270 Ω, 异常下降,甚至消除
• 异常时电流异常增大—— 250mA→1200mA
细节的问题
现场通讯线上的电压波形 9峰峰=42.6V 9最大=24.8V
•同一机柜中 •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
输出偏差
失效VA对-VS 良品VA对-VS
进一步: 长线端口的保护问题!!
设计缺陷
端口长线保护
1# Pin102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
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
Pin102端口
2#
XCS30XL-工程失效
击穿
设计缺陷
R= 100 Ω
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=80V MOV上的电压波形(10.4V)
电路设计缺陷
结论: 9通讯线容易发生电压串扰 9瞬态抑制二极管不能
有效释放nS级外部浪涌脉冲 9通讯线路上的阻抗匹配
设计缺陷
端口长线保护
XCS30XL分析启发
工程应用失 效与浪涌试 验失效表征 相同
工程失效属 于浪涌电压 --脉冲大 电压击穿失 效
Pin102 重点防护
失效端口 Pin102
相同
Pin102相关外 围电路易引入 高压?
电路设计缺陷
开关部件(VDMOS)热失效: 9缓慢开启,开时极大功耗; 9开快后,还出现振荡又热烧毁。
D3
R7
R8
R9
100K 100K
R10* 7.5K
S1M
51K/1210
D2
交流入~
D5 10A
接地
S1M D6
10A
C4 103/400V
Q2 C3 MMBT5551
电路设计缺陷
汽车尾灯亮度异常
27.2V
7.5V
12V 25mA
(270Ω:45mA)
(650mA)
低亮度时电流在通路(红色箭头)
5W-47Ω电阻器,三只串连,对电容器充 电,充电时每只电阻器承受250V脉冲电 压,脉冲功率为1330W。在产品试验时失 效,表现为开路或阻值增大。
VA/VB(输入)连接到航空插座 也属于”长线传输”
VA输入端(Pn11)
VA/VB输入端连 接到航空插座
C极 B极
烧毁点
Pin7输出驱动管形貌
CAN总线数据传输端口电压击穿
烧毁点
Pin7输出驱动管上烧毁形貌
烧毁点
Pin6输出驱动管形貌
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 温导线金属内导反向体击穿裸露端碰到仪器(电缆或者产品) 的金属部位。
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
元器件可靠性研究分析中心
2013
电路设计缺陷
失效分析技术在产品设计中的应用
• 电路设计缺陷引起的失效 • 匹配不当引起的失效 • 参数分布引起的失效 • 长线传输保护不当引起的失效 • 热设计不当引起的失效 • 固有机理和固有薄弱的防护 • 环境适应性考虑 • 结构问题
电路设计缺陷
小 能 量 电 压 击 穿
电路设计缺陷
百度文库
原
新
旧版DEL系统 485通讯电路
DEG系统485 通讯电路
新版DEL系统 485通讯电路
细节的问题
对MOV直接放电 放电电压=50V
MOV上的电压 峰峰=31.4V 最大=19.0V
Vz=10V
结论: MOV不能释放 nS级的脉冲
细节的问题
DEG系统 通讯线上干扰(V1) 对485作用的等效电路
端口长线保护
XCS30XL 浪涌试验失效
设计缺陷
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。 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。 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而 产生浪涌电压(脉冲电压)。并确保有良好的接地。
脉冲大电压
• “异常”亮时,各灯亮度基本均匀
由现象可以看到:
¾ 与低亮无关 ¾ 与基极电流大小有关 ¾ 与高亮的启动有关
——高亮的启动状态
¾ 与高亮工作后的结果有关 (与高亮的时间间隔长短有关)
——温度 ¾ 每个灯均工作在大电流状态
——电流流向,电流增大的道理
电路设计缺陷
电瓶+
103/250V 47μF/25V
2200μF/35V
R1
R2 220Ω
220Ω
SCR2
D4 M7
C1
R4* 2.7K
BT151-500R
SCR1
D1 M7
R5 51K
Q1 MMBT5401
BATT1 12V/7Ah
交流入~
BT151-500R
ACG
SCR3
Z1
MCR100-8
16V
Z2 13V
R6
1K R11
C2
D7 10A
1K/1210
失效I-V
正常I-V
鉴相器
击穿点
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.
DEL V
旧版DEL系统 通讯线上干扰(V1) 对485作用的等效电路
对通新
讯版
48 线
5作 用 的 等
上 干 扰 (
系 统
效
电 路
1)
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=30V 100 Ω上的电压波形(24.6V)
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
汽车尾灯亮度异常 现象:
• 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(高亮过程总 不跳变至异常亮)
• 基极回路电阻470Ω变为270 Ω, 异常下降,甚至消除
• 异常时电流异常增大—— 250mA→1200mA