物聯(lián)網(wǎng)智能空調(diào)用WiFi無線通信模塊應(yīng)用可靠性分析

0   引言

物聯(lián)網(wǎng)最近幾年開始快速發(fā)展，它是當(dāng)代信息時(shí)代的核心部分。也是步入信息化時(shí)代實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的核心技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知與識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)人與人、物與物、人與物的信息互聯(lián)及信息交換。該技術(shù)被稱為第三次信息產(chǎn)業(yè)革命，是新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度集成與綜合應(yīng)用，也是下一個(gè)推動(dòng)世界高速發(fā)展的重要生產(chǎn)力。

作為物聯(lián)網(wǎng)傳輸層核心器件，WiFi 模塊目前在家用電器等領(lǐng)域逐步投入使用。WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)是有AP 和無線網(wǎng)卡組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)，可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（PDA、手機(jī)）等終端以無線方式進(jìn)行互聯(lián)^[1]。它是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在百英尺（1 英尺約為0.3048 米）范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入無線電信號(hào)，幫助用戶訪問電子郵件等，為用戶提供無線的寬帶互聯(lián)網(wǎng)訪問；同時(shí)也是家庭、辦公室或旅途中上網(wǎng)的便捷路徑。總之，WiFi 組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單，主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是無線接入、高速傳輸以及傳輸距離遠(yuǎn)。

2016 年A 企業(yè)開始實(shí)施智能家居戰(zhàn)略，智能空調(diào)應(yīng)運(yùn)而生。實(shí)現(xiàn)空調(diào)智能化的重要組成器件WiFi 模塊開始批量投入使用，而應(yīng)用過程出現(xiàn)大量失效下線，半年累計(jì)達(dá)487 單。問題概括分為3 類：模塊芯片電源口短路、模塊PCB 變形翹曲度不合格以及模塊無局域網(wǎng)問題（1.2 V 短路制造問題），嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量，需要緊急采取有效方案解決問題。

1 失效分析

1.1 WiFi模塊中聯(lián)發(fā)科主芯片短路故障分析

1.1.1 器件阻值特性分析

對(duì)下線模塊進(jìn)行大量分析統(tǒng)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)模塊失效全部是8~11 腳VCC 對(duì)地短路，正常情況呈高阻狀態(tài)（200 kΩ 以上），短路點(diǎn)如圖1。

● 失效模塊實(shí)際阻值特性檢測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)故障品進(jìn)行檢測(cè)，異常品VCC 對(duì)地阻值、PN 值測(cè)試穩(wěn)定。阻值范圍除個(gè)別超過1 kΩ，其他均在1 kΩ以下。通過測(cè)試核實(shí)確定測(cè)試VCC 對(duì)地阻值是最佳檢測(cè)判定方法，測(cè)試PN 值只能做間接判斷，正常品VCC對(duì)地阻值是不穩(wěn)定的，時(shí)刻在逐漸變化，開始檢測(cè)在200 kΩ 以上，后續(xù)逐漸降低至50 kΩ，故障模塊芯片口測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

1.1.2 芯片失效開封解析

對(duì)下線芯片進(jìn)行分析，芯片失效集中在對(duì)應(yīng)P117即VCC 供電對(duì)地短路，芯片開封解析查看內(nèi)部片芯對(duì)應(yīng)P117 即VCC 供電金線綁定區(qū)域基板表層有明顯過電燒毀痕跡，分析是過電導(dǎo)致芯片擊穿失效。

1.1.3 模塊主芯片電源部分靜電及過電沖擊試驗(yàn)?zāi)M分析

1)MTK 芯片電源部分 ESD 水平實(shí)驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)WiFi 模塊失效，表現(xiàn)故障現(xiàn)象VCC 對(duì)地失效及無局域網(wǎng)問題，分析全部是主芯片過電失效^[2-3]，但要確定是芯片受靜電損傷后再次進(jìn)行功能測(cè)試受損，還是芯片直接過電擊穿失效。對(duì)芯片進(jìn)行ESD 水平測(cè)試，通過測(cè)試芯片電源部分VCC 對(duì)地ESD，總體測(cè)試5 單樣品全數(shù)通過20 kV，沒有出現(xiàn)失效，芯片ESD 測(cè)試數(shù)據(jù)如表2。經(jīng)過檢測(cè)確認(rèn)芯片電源部分是高阻抗口，從實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況看，芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有ESD 保護(hù)吸收電路，測(cè)試瞬間后阻值嚴(yán)重偏低(3.3 kΩ~46 kΩ)，之后迅速恢復(fù)正常（一般在340 kΩ 以上）。經(jīng)過分析芯片失效與ESD 無直接關(guān)系。

2)MTK 芯片電源部分VCC EOS 水平實(shí)驗(yàn)測(cè)試經(jīng)過分析模塊是過電EOS 失效，原因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備過電導(dǎo)致，安排對(duì)模塊進(jìn)行過電模擬實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)測(cè)試看，模塊VCC 對(duì)地施加5 V 電壓沖擊，模塊在小于2 s即出現(xiàn)擊穿失效，過電模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3，芯片檢測(cè)分析結(jié)果及過程與下線品相同，可以確定模塊失效是因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備過電所致，從測(cè)試情況看芯片過電會(huì)立刻失效。

3) 分析總結(jié)

經(jīng)過對(duì)模塊進(jìn)行檢測(cè)、無損分析、開封分析查看內(nèi)部片芯對(duì)應(yīng)P117 即VCC 供電金線綁定區(qū)域基板表層，發(fā)現(xiàn)有明顯過電燒毀痕跡，分析認(rèn)為是過電導(dǎo)致芯片擊穿失效。對(duì)代工廠生產(chǎn)過程進(jìn)行分析排查發(fā)現(xiàn)，廠家生產(chǎn)過程篩選測(cè)試設(shè)備主板器件失效導(dǎo)致芯片受過電沖擊失效（過電沖擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)是該原因?qū)е拢?，?duì)測(cè)試設(shè)備重新更換并對(duì)模塊過電增加測(cè)試監(jiān)控，有效解決了該問題。

1.2 PCB板翹曲度不合格導(dǎo)致虛焊問題

生產(chǎn)過程中使用WiFi 模塊時(shí)發(fā)現(xiàn)存在大批模塊批量起翹、不平整變形現(xiàn)象，起翹至少為0.5 mm，導(dǎo)致回流焊之后出現(xiàn)嚴(yán)重虛焊，存在失效隱患，故障板照片如圖3。

圖3 故障板照片

1.2 .1 PCB板翹曲度對(duì)裝配影響實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

模塊生產(chǎn)出現(xiàn)大批量虛焊現(xiàn)象，經(jīng)過分析是板翹曲度不合格。為確定翹曲度在什么范圍內(nèi)不影響焊接質(zhì)量，安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以制定管控標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，曲翹度及過爐后不良數(shù)量情況如下，不良板全部是圖3 紅色框一側(cè)兩個(gè)焊點(diǎn)脫焊。模塊翹曲度程度對(duì)焊接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。及格過試驗(yàn)驗(yàn)證分析確定焊接工藝方面接受可焊區(qū)形變?yōu)?.12 mm。

1. 2.2 分析總結(jié)

模塊PCB 板變形問題一直很突出，生產(chǎn)過程中斷續(xù)出現(xiàn)，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證模塊變形量在0.15 mm 以下不影響焊接，也不出現(xiàn)虛焊問題。為此修訂企標(biāo)及器件圖紙，模塊測(cè)試篩選變形量標(biāo)準(zhǔn)按0.15 mm 進(jìn)行控制。

1.3 模塊無局域網(wǎng)問題分析整改——1.2 V短路

經(jīng)過分析模塊無通信故障是芯片1.2 V 短路所致。大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總分析發(fā)現(xiàn)失效模塊對(duì)應(yīng)失效位置統(tǒng)一，從解剖芯片查看焊盤上錫焊接情況，并對(duì)大量失效板進(jìn)行尺寸、設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行深入分析研究，發(fā)現(xiàn)板存在三個(gè)方面設(shè)計(jì)缺陷。

1) 從焊盤上錫外觀及短路狀態(tài)看，芯片焊盤印刷錫膏量偏多，導(dǎo)致過回流焊后錫熔融向焊盤之間方向流動(dòng)，最終連錫短路。解決方案是增加焊盤尺寸，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)估，增加30% 可以有效解決問題。

2) 焊盤實(shí)際焊接面積尺寸大小一致性差，焊盤周圍有少量阻焊覆蓋，有效的焊接面積差異刷錫膏量不同，直接影響焊接效果。兩個(gè)焊盤之間實(shí)際沒有有效阻焊油墨隔離，一般通信板芯片焊盤設(shè)計(jì)均有阻焊油墨覆蓋。解決方案是在焊盤之間增加阻焊油墨隔離。

3) 地端焊盤周圍全部是銅箔，周圍表面有綠油覆蓋，過回流焊時(shí)錫通常是往兩個(gè)焊盤中間聚錫，由于設(shè)計(jì)不合理增加短路概率。通過地端開槽改變錫融化焊接時(shí)錫流動(dòng)方向，與整改前流動(dòng)方向相反。

1.3.4 分析總結(jié)

經(jīng)過對(duì)廠家PCB 板進(jìn)行詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致模塊出現(xiàn)大量無通信故障的原因是廠家生產(chǎn)PCB 板存在設(shè)計(jì)不合理的地方，有3 個(gè)方面缺陷：1.2 V 對(duì)應(yīng)焊盤之間無阻焊窗、無開槽以及焊盤之間沒有阻焊油墨。PCB板焊盤尺寸整體偏小，由于焊盤變小生產(chǎn)工藝沒變，錫膏量相同導(dǎo)致焊盤錫膏量偏多，在引腳上錫熔融后溢出導(dǎo)致引腳之間短路。新PCB 增加焊盤尺寸30%、焊盤之間增加阻焊油墨及地端焊盤外側(cè)開槽要求（改變錫流動(dòng)方向），徹底解決短路不良。針對(duì)該問題已經(jīng)將PCB尺寸及焊盤、阻焊、開槽等尺寸一致性控制納入入廠檢及檢驗(yàn)規(guī)范重點(diǎn)控制項(xiàng)目。

PCB 板焊盤尺寸。焊盤長(zhǎng)：(0.35±0.05) mm，焊盤寬：(0.2±0.02) mm。

PCB 板開槽大小。長(zhǎng)：(0.22±0.03) mm， 寬：(0.15～ 0.20) mm。

2   WiFi模塊失效解決方案總結(jié)

2.1 主芯片3.3 V對(duì)地短路

經(jīng)過對(duì)模塊進(jìn)行檢測(cè)、無損分析開封查看內(nèi)部片芯對(duì)應(yīng)P117 即VCC 供電金線綁定區(qū)域基板表層，發(fā)現(xiàn)有明顯過電燒毀痕跡，分析為過電導(dǎo)致芯片擊穿失效。對(duì)代工廠生產(chǎn)過程進(jìn)行分析排查發(fā)現(xiàn)，廠家生產(chǎn)過程篩選測(cè)試設(shè)備主板器件失效導(dǎo)致芯片受過電沖擊失效，對(duì)測(cè)試設(shè)備重新更換并對(duì)模塊過電增加測(cè)試篩選，有效解決本批次質(zhì)量問題。

2.2 PCB板翹曲度不合格導(dǎo)致虛焊問題

模塊PCB 板變形問題一直很突出，生產(chǎn)過程斷續(xù)出現(xiàn)，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證模塊變形量在0.15 mm 以下即不影響焊接，也不出現(xiàn)虛焊問題，修訂企標(biāo)及器件圖紙，模塊測(cè)試篩選變形量標(biāo)準(zhǔn)按0.15 mm 進(jìn)行控制。

2.3 主芯片1.2 V連錫短路

經(jīng)過對(duì)廠家PCB 板進(jìn)行詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致模塊出現(xiàn)大量無通信故障的原因是廠家生產(chǎn)PCB 板存在設(shè)計(jì)不合理的地方，有3 個(gè)方面缺陷：1.2 V 對(duì)應(yīng)焊盤之間無阻焊窗、無開槽以及焊盤之間沒有阻焊油墨。PCB板焊盤尺寸整體偏小，由于焊盤變小生產(chǎn)工藝沒變，錫膏量相同導(dǎo)致焊盤錫膏量偏多，在引腳上錫熔融后溢出導(dǎo)致引腳之間短路。新PCB 增加焊盤尺寸30%、焊盤之間增加阻焊油墨及地端焊盤外側(cè)開槽要求（改變錫流動(dòng)方向），徹底解決了短路不良。針對(duì)該問題已經(jīng)將PCB 尺寸及焊盤、阻焊、開槽等尺寸一致性控制納入入廠檢及檢驗(yàn)規(guī)范重點(diǎn)控制項(xiàng)目。

3   整改總結(jié)及意義

模塊應(yīng)用出現(xiàn)大量失效，經(jīng)過分析均為模塊制造及設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致長(zhǎng)期大批量下線。經(jīng)過對(duì)物料深入分析研究最終找到可行解決方案，對(duì)于模塊芯片過電失效從設(shè)備器件失效及過電檢測(cè)保護(hù)方面進(jìn)行整改，可以有效監(jiān)控異常電壓及時(shí)進(jìn)行保護(hù)。針對(duì)模塊PCB 翹曲度不合格問題，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定控制標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)控制在0.15 mm，模塊焊接不受影響。針對(duì)芯片1.2 V 短路問題進(jìn)行焊盤尺寸及開槽、增加阻焊窗整改，有效解決短路不良，經(jīng)過實(shí)際跟蹤整改效果顯著 。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫弋,徐瑞華.基于WiFi技術(shù)的井下多功能便攜終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工礦自動(dòng)化,2007(3):60-63.

[2] 袁澤高.基于ARM的WiFi通用智能控制終端的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2012.

[3] 杜寶禎.嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].贛州:江西理工大學(xué),2010.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）