某中频控制器老炼后输出异常的失效分析

邹 伟，邓 江，白 璐

（中国电子科技集团第24研究所，重庆 400060）

某中频控制器老炼后输出异常的失效分析

邹 伟，邓 江，白 璐

（中国电子科技集团第24研究所，重庆 400060）

产品的可靠性分析工作是一项系统工程，它贯穿了产品设计、生产、考核及用户使用的整个生命周期。通过对成熟产品的失效分析发现产品在设计工艺结构、考核试验、以及使用环境过程中存在的问题，指导设计师在产品的研制阶段进行产品的可靠性规划，从而不断提升设计师可靠性设计水平，提高产品的可靠性。本文通过对某中频控制器在老炼后的异常情况进行分析，发现该产品在环境试验中存在问题，并提出了相应的改进措施。本研究工作对于同类产品的热设计、环境试验可靠性具有借鉴意义。

中频控制器；热设计；热成像分析；失效分析

1 概述

某型中频控制器为我所成熟货架产品，该产品于2011年完成设计定型，已完成多批次生产供货。

2015年8月，该产品在老炼筛选试验后，常温测试中出现大批量电路失效的现象。由于该产品在老炼前测试中未出现任何异常现象，为了核实本次老炼后失效是否是批次性的产品质量问题，因此进行了详细的失效原因分析。

2 失效原因分析

2．1 失效现象核查

经查本批次共计370只投入老炼，老练后失效179只，主要有两种失效现象：①正电源电流变小（规范≤90 mA，实际测试16.5-18.7 mA，合格电路为54.2～57.4mA），传输系数超标（规范≥21 dB，实际测试-18.4～39.0 dB，合格电路为30.0～31.5 dB）；②传输系数变小，通断比超标。

2．2 失效原因分析

2.2.1 功能简介

该中频控制器是使用表面贴装技术（SMT）工艺制造的模块产品，主要由信道传输单元、电源转换器单元和控制线路单元等组成。信道传输单元主要对产品的信号进行放大与传输，电源转换器单元主要对产品供电电源电压进行转 换，控制线路单元主要对产品传输信道的通断进行控制。如图1所示，产品信道传输部分包含一个前级低噪声放大级、单刀单掷开关、中间级放大级（由NPN对管组成）、以及输出级（由宽带运放组成）。产品输入信号通过前级低噪声放大器进行初级放大，然 后通过单刀单掷开关来控制输入信号的通断，由中间级放大电路对输入信号进行二次放大，最后通过输出级单元（由宽带运放组成）输出。比较器主要负责对单刀单掷开关通断控制，实现对输入信号进行调制的功能，主要影响产品的时间参数。电源转换单元由一个15 V转3 V基准组成，为单刀单掷开关、比较器等提供电源；控制电路单元由高速比较器组成。

2.2.2 故障原因分析

1）开帽检查

任意选取6只老炼后失效电路进行开帽，发现失效电路内部均存在焊锡二次熔化现象，个别元器件引脚端头与焊盘脱离，如图2所示。

图1 某中频控制器原理图

该产品采用标准成熟的模块/组件 SMT工艺，内部元器件采用179 ℃焊膏进行组装，若电路内部温度超过焊膏熔点温度（179 ℃）后，器件内部焊膏将发生二次熔化，可能导致元器件出现虚焊、脱落及短路等异常现象。对6只失效电路焊锡进行清理，元器件重新焊接后，电路均恢复正常。任意选取老炼后参数测试合格电路进行开帽检查，同样发现了焊锡二次熔化的异常现象。因此，分析确定电路老炼后典型失效是由于电路在老炼过程中经历了异常高温导致焊锡二次熔化所致。

2）电路异常高温的原因分析

电路在老炼过程中产生异常高温，其原因有以下两个方面：①老炼试验条件不当；②老炼过程散热不良。下面对两种可能原因进行分析排查：

①老炼试验条件不当

该产品老炼时工作电源电压为±15 V，正电源电流为57 mA，负电源电流为-15 mA，直流总功耗约为1 W。信号输入输出接50 Ω负载到地，属于静态老炼，无交流功耗。

通过对产品进行热成像分析，产品正常工作时温升约为30 ℃，而产品老炼温度为环境温度Ta=60 ℃。因此，正常情况下，单只电路老炼温度（90℃）远低于焊膏熔点温度（179 ℃），可以排除老炼试验条件不当造成电路二次熔化。

图2 失效电路开帽检查

②老炼过程散热不良

对整批电路老炼试验过程进行排查：该产品采用高温烘箱进行老炼，为了最大化的使用烘箱，老炼时烘箱每次均全部装满，共计投入7块老化板，每块老化板老化数量50只。

电路自身散热能力分析：根据单只电路老炼功耗1 W计算，电路散热良好的情况下，电路总功耗为1 W×50×7=350 W。彻查电路老化板，电路老化板无辅助散热措施，电路全部通过辐射散热。即电路总体功耗大，自身散热能力弱。

烘箱散热能力分析：该老化箱为充氮烘箱，该设备自身的散气孔较小（该设备散气孔没有风门，不能进行调节），并且老化箱内的温度传感器固定在烘箱左侧，热源与通风系统位于烘箱内部右侧。因此，从老炼烘箱来看，该老炼烘箱散热及通风循环系统能力较弱。

综上所述，由于电路本身功耗较大，当同时投入老化板数量较多时，将阻碍烘箱内部空气流动，使得老化箱内部热量无法及时循环控制，将严重引起老化箱内温度分布不均，局部产生异常高温，从而导致产品经历异常高温而出现焊膏二次熔化失效。

3 纠正措施

1）就本次失效案列组织所有测试人员进行培训，对功率较大器件进行老炼时每批均须进行烘箱温度检测，并严格控制单个老化箱老化板数量，定期巡查老化箱温度，发现异常立即汇报。

图3 热成像图

2）对产品老化板进行优化，减少每块老化板上老炼电路数量，并对老化板增加散热片，提升老化板自身的散热能力。

3）对该批老炼后电参数测试合格电路，再次进行温度循环、恒定加速度、常温测试等一系列试验评估。

4 结论

1）通过上述分析可以确定：本次产品老炼后典型失效是由于产品自身功耗较大，同时老炼数量较多，老炼过程中烘箱内散热不良导致产品内部焊锡二次熔化，引起电路焊锡异常连接或器件脱落所致。

2）本次质量问题主要暴露出：设计人员在进行环境适应性设计时，对老化试验中大功率产品老化的热设计认知不足，未能充分识别产品潜在的失效模式，老化板设计中未充分考虑大功率产品散热问题。

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

[2]总装备部.GJB 548B-2005，微电子器件试验方法和程序[S].北京：总装备部军标出版发行部，2005.

[3] 樊融融. 现代电子装联工程应用1000问 [G]. 北京：电子工业出版社，2013.10.

[4] 罗道军,贺光辉,邹雅冰.电子组装工艺可靠性技术与案例研究 [R].北京：电子工业出版社, 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

邹伟，工程师，研究方向：从事电子元器件方面的失效分析以及IC可靠性设计工作。

邓江，工程师，研究方向：从事IC设计工作。

白璐，高工，研究方向：从事电子元器件方面的失效分析以及IC可靠性设计工作。