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PCB电子组件的失效分析案例

2020-01-07
1928 作者: NTEK北测检测集团
本文关键词:
失效分析

PCB作为各种元器件的载体,是电子信息产品非常重要的部分。PCB失效案例越来越多,给产品造成的损失也越来越严重。PCB电子组件失效的模式多种多样,需要根据不同情况进行分析。可以通过模块分析定位方法分析PCB电子组件失效分析原因。


PCB电子组件失效分析案例分享:
失效样品为电压继电器,具有高电压和低电压报警功能。样品在现场工作时失效,具体表现为输入电压为220V AC时,样品的正常工作指示灯(绿灯)与高电压报警指示灯(红灯)交替闪烁,样品的高电压报警值设置为244V,低电压报警值设置为198V。

对样品进行非破坏性检查,均未发现异常(图2和图3),而样品的失效表现与委托方描述一致。

PCB失效分析


样品内部由两个块PCB板组成,PCB1上电路的作用是电压监测、低电压直流电源的变换和提供继电器控制。PCB2上的电路作用是将监测到的电压信号转换成相应的LED驱动信号,点亮与信号相符的LED灯,并反馈信号至PCB1,对继电器进行控制。该案中样品属于功能失效,高电压报警和正常指示灯交替闪烁,从电路上考虑,首先怀疑高电压报警电路异常,且异常具有可恢复性,根据该猜测制定的初步分析定位方案如下:


PCB失效分析

PCB失效分析


根据图4中的比较电路进行测试,失效样品的高电压检测信号稳定,无突变现象,但高电压报警电路中的运算放大器输出电压存在异常。进一步测试,发现VCC电压存在波动,导致了基准电压波动,输出电压异常。而高压报警指示灯点亮时,VCC电压上升,正常工作指示灯点亮时,VCC电压下降。正常工作指示灯点亮,PCB1上的继电器线圈将流过较大电流,让触点动作,而高压报警指示灯点亮时,继电器线圈不导通。因此,怀疑VCC电压下降为继电器线圈消耗电流增大所致,即VCC的带载能力不足。


PCB失效分析


根据VCC供电电路(图5)来看,交流电源L3经过C7、ZD1及R4的分压,通过D1整流,给继电器线圈供电,同时将电压进行变换,输出VCC电压,因此制定以下分析方案:


PCB失效分析


对相关元器件进行电学测试,结果显示电容器C7的容量值为116.6nF,远低于标称值的330nF,容量下降,由于RC=1/(2πfC),可见C7的RC将增大,从图5来看,RC增大会导致电路的带载能力下降。为了证实这一点,更换一只330nF的电容器到C7的位置,失效现象消失,且样品的过压、欠压的触发电压也满足规格要求,由此可见该案中样品的失效为C7容量下降所致。

为了确认C7容量下降的原因,对C7进行开封,可见C7内部多层电极箔上的存在大面积发白现象(图6)。将阴阳极电极箔分离,可见其中一个电极箔上大部分金属已缺失(图7),缺失区域未发现Zn(锌)元素,只有C(碳)元素。C7内部电极箔未见过热或机械损伤,因此怀疑电极箔金属缺失为电极箔腐蚀水解所致。


PCB失效分析


最后,我们结合失效机理,再回到电路中,对样品的失效现象进行合理的解释。C7的容量下降,由其容抗RC=1/(2πfC),可知容量下降将导致RC增大。RC的增大将降低电源转换电路的带载能力,当电路的输入电压处于正常工作的电压范围198V AC~244V AC时,绿灯点亮,继电器线圈流过较大电流使触点动作,电流的增大将使得C7两端压降增加,导致其后端的VCC电压下降。VCC电压下降后,使得高电压报警电路中的比较器基准电压下降,当基准电压低于高电压报警电路的检测电压,高电压报警灯点亮,同时绿灯熄灭,继电器线圈电流减小,继电器不动作。线圈电流下降,导致C7两端压降减小,后端的VCC电压上升,同时高电压报警电路的基准电压上升,基准电压大于检测电压时,高电压报警灯熄灭,绿灯点亮。如此反复,出现了样品失效的状态:红灯与绿灯交替闪烁。

案例总结
本案例对模块失效分析的方法及流程进行了介绍,并以实际案例讲述了模块失效分析开展的过程。模块的失效分析需要基于内部电路原理图进行定位分析,根据测试到的结果随时调整出合理的分析方案,指导后续的工作。最后定位到的失效机理,必须结合失效背景,对失效现象做出合理的解释。

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