物聯(lián)網(wǎng)智能空調用WiFi無(wú)線(xiàn)通信模塊應用可靠性分析

0   引言

物聯(lián)網(wǎng)最近幾年開(kāi)始快速發(fā)展，它是當代信息時(shí)代的核心部分。也是步入信息化時(shí)代實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)的核心技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)智能感知與識別技術(shù)實(shí)現人與人、物與物、人與物的信息互聯(lián)及信息交換。該技術(shù)被稱(chēng)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是有AP 和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡組成的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，可以將個(gè)人電腦、手持設備（PDA、手機）等終端以無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行互聯(lián)^[1]。它是一種短程無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，能夠在百英尺（1 英尺約為0.3048 米）范圍內支持互聯(lián)網(wǎng)接入無(wú)線(xiàn)電信號，幫助用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)電子郵件等，為用戶(hù)提供無(wú)線(xiàn)的寬帶互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)；同時(shí)也是家庭、辦公室或旅途中上網(wǎng)的便捷路徑?？傊?，WiFi 組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單，主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)接入、高速傳輸以及傳輸距離遠。

2016 年A 企業(yè)開(kāi)始實(shí)施智能家居戰略，智能空調應運而生。實(shí)現空調智能化的重要組成器件WiFi 模塊開(kāi)始批量投入使用，而應用過(guò)程出現大量失效下線(xiàn)，半年累計達487 單。問(wèn)題概括分為3 類(lèi)：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(wú)局域網(wǎng)問(wèn)題（1.2 V 短路制造問(wèn)題），嚴重影響了產(chǎn)品質(zhì)量，需要緊急采取有效方案解決問(wèn)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

對下線(xiàn)模塊進(jìn)行大量分析統計后，發(fā)現模塊失效全部是8~11 腳VCC 對地短路，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)際阻值特性檢測數據

對故障品進(jìn)行檢測，異常品VCC 對地阻值、PN 值測試穩定。阻值范圍除個(gè)別超過(guò)1 kΩ，其他均在1 kΩ以下。通過(guò)測試核實(shí)確定測試VCC 對地阻值是最佳檢測判定方法，測試PN 值只能做間接判斷，正常品VCC對地阻值是不穩定的，時(shí)刻在逐漸變化，開(kāi)始檢測在200 kΩ 以上，后續逐漸降低至50 kΩ，故障模塊芯片口測試數據如表1。

1.1.2 芯片失效開(kāi)封解析

對下線(xiàn)芯片進(jìn)行分析，芯片失效集中在對應P117即VCC 供電對地短路，芯片開(kāi)封解析查看內部片芯對應P117 即VCC 供電金線(xiàn)綁定區域基板表層有明顯過(guò)電燒毀痕跡，分析是過(guò)電導致芯片擊穿失效。

1.1.3 模塊主芯片電源部分靜電及過(guò)電沖擊試驗模擬分析

1)MTK 芯片電源部分 ESD 水平實(shí)驗測試

針對WiFi 模塊失效，表現故障現象VCC 對地失效及無(wú)局域網(wǎng)問(wèn)題，分析全部是主芯片過(guò)電失效^[2-3]，但要確定是芯片受靜電損傷后再次進(jìn)行功能測試受損，還是芯片直接過(guò)電擊穿失效。對芯片進(jìn)行ESD 水平測試，通過(guò)測試芯片電源部分VCC 對地ESD，總體測試5 單樣品全數通過(guò)20 kV，沒(méi)有出現失效，芯片ESD 測試數據如表2。經(jīng)過(guò)檢測確認芯片電源部分是高阻抗口，從實(shí)驗測試情況看，芯片內部設計有ESD 保護吸收電路，測試瞬間后阻值嚴重偏低(3.3 kΩ~46 kΩ)，之后迅速恢復正常（一般在340 kΩ 以上）。經(jīng)過(guò)分析芯片失效與ESD 無(wú)直接關(guān)系。

2)MTK 芯片電源部分VCC EOS 水平實(shí)驗測試經(jīng)過(guò)分析模塊是過(guò)電EOS 失效，原因為測試設備過(guò)電導致，安排對模塊進(jìn)行過(guò)電模擬實(shí)驗。從實(shí)驗測試看，模塊VCC 對地施加5 V 電壓沖擊，模塊在小于2 s即出現擊穿失效，過(guò)電模擬實(shí)驗測試數據如表3，芯片檢測分析結果及過(guò)程與下線(xiàn)品相同，可以確定模塊失效是因為測試設備過(guò)電所致，從測試情況看芯片過(guò)電會(huì )立刻失效。

3) 分析總結

經(jīng)過(guò)對模塊進(jìn)行檢測、無(wú)損分析、開(kāi)封分析查看內部片芯對應P117 即VCC 供電金線(xiàn)綁定區域基板表層，發(fā)現有明顯過(guò)電燒毀痕跡，分析認為是過(guò)電導致芯片擊穿失效。對代工廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析排查發(fā)現，廠(chǎng)家生產(chǎn)過(guò)程篩選測試設備主板器件失效導致芯片受過(guò)電沖擊失效（過(guò)電沖擊實(shí)驗驗證確認是該原因導致），對測試設備重新更換并對模塊過(guò)電增加測試監控，有效解決了該問(wèn)題。

1.2 PCB板翹曲度不合格導致虛焊問(wèn)題

生產(chǎn)過(guò)程中使用WiFi 模塊時(shí)發(fā)現存在大批模塊批量起翹、不平整變形現象，起翹至少為0.5 mm，導致回流焊之后出現嚴重虛焊，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板翹曲度對裝配影響實(shí)驗驗證

模塊生產(chǎn)出現大批量虛焊現象，經(jīng)過(guò)分析是板翹曲度不合格。為確定翹曲度在什么范圍內不影響焊接質(zhì)量，安排實(shí)驗進(jìn)行驗證，以制定管控標準。對模塊進(jìn)行現場(chǎng)測量，曲翹度及過(guò)爐后不良數量情況如下，不良板全部是圖3 紅色框一側兩個(gè)焊點(diǎn)脫焊。模塊翹曲度程度對焊接影響試驗數據如表4。及格過(guò)試驗驗證分析確定焊接工藝方面接受可焊區形變?yōu)?.12 mm。

1. 2.2 分析總結

模塊PCB 板變形問(wèn)題一直很突出，生產(chǎn)過(guò)程中斷續出現，經(jīng)過(guò)試驗驗證模塊變形量在0.15 mm 以下不影響焊接，也不出現虛焊問(wèn)題。為此修訂企標及器件圖紙，模塊測試篩選變形量標準按0.15 mm 進(jìn)行控制。

1.3 模塊無(wú)局域網(wǎng)問(wèn)題分析整改——1.2 V短路

經(jīng)過(guò)分析模塊無(wú)通信故障是芯片1.2 V 短路所致。大量數據統計匯總分析發(fā)現失效模塊對應失效位置統一，從解剖芯片查看焊盤(pán)上錫焊接情況，并對大量失效板進(jìn)行尺寸、設計合理性進(jìn)行深入分析研究，發(fā)現板存在三個(gè)方面設計缺陷。

1) 從焊盤(pán)上錫外觀(guān)及短路狀態(tài)看，芯片焊盤(pán)印刷錫膏量偏多，導致過(guò)回流焊后錫熔融向焊盤(pán)之間方向流動(dòng)，最終連錫短路。解決方案是增加焊盤(pán)尺寸，經(jīng)過(guò)試驗驗證評估，增加30% 可以有效解決問(wèn)題。

2) 焊盤(pán)實(shí)際焊接面積尺寸大小一致性差，焊盤(pán)周?chē)猩倭孔韬父采w，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(pán)之間實(shí)際沒(méi)有有效阻焊油墨隔離，一般通信板芯片焊盤(pán)設計均有阻焊油墨覆蓋。解決方案是在焊盤(pán)之間增加阻焊油墨隔離。

3) 地端焊盤(pán)周?chē)渴倾~箔，周?chē)砻嬗芯G油覆蓋，過(guò)回流焊時(shí)錫通常是往兩個(gè)焊盤(pán)中間聚錫，由于設計不合理增加短路概率。通過(guò)地端開(kāi)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

經(jīng)過(guò)對廠(chǎng)家PCB 板進(jìn)行詳細分析發(fā)現，導致模塊出現大量無(wú)通信故障的原因是廠(chǎng)家生產(chǎn)PCB 板存在設計不合理的地方，有3 個(gè)方面缺陷：1.2 V 對應焊盤(pán)之間無(wú)阻焊窗、無(wú)開(kāi)槽以及焊盤(pán)之間沒(méi)有阻焊油墨。PCB板焊盤(pán)尺寸整體偏小，由于焊盤(pán)變小生產(chǎn)工藝沒(méi)變，錫膏量相同導致焊盤(pán)錫膏量偏多，在引腳上錫熔融后溢出導致引腳之間短路。新PCB 增加焊盤(pán)尺寸30%、焊盤(pán)之間增加阻焊油墨及地端焊盤(pán)外側開(kāi)槽要求（改變錫流動(dòng)方向），徹底解決短路不良。針對該問(wèn)題已經(jīng)將PCB尺寸及焊盤(pán)、阻焊、開(kāi)槽等尺寸一致性控制納入入廠(chǎng)檢及檢驗規范重點(diǎn)控制項目。

PCB 板焊盤(pán)尺寸。焊盤(pán)長(cháng)：(0.35±0.05) mm，焊盤(pán)寬：(0.2±0.02) mm。

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

2   WiFi模塊失效解決方案總結

2.1 主芯片3.3 V對地短路

經(jīng)過(guò)對模塊進(jìn)行檢測、無(wú)損分析開(kāi)封查看內部片芯對應P117 即VCC 供電金線(xiàn)綁定區域基板表層，發(fā)現有明顯過(guò)電燒毀痕跡，分析為過(guò)電導致芯片擊穿失效。對代工廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析排查發(fā)現，廠(chǎng)家生產(chǎn)過(guò)程篩選測試設備主板器件失效導致芯片受過(guò)電沖擊失效，對測試設備重新更換并對模塊過(guò)電增加測試篩選，有效解決本批次質(zhì)量問(wèn)題。

2.2 PCB板翹曲度不合格導致虛焊問(wèn)題

模塊PCB 板變形問(wèn)題一直很突出，生產(chǎn)過(guò)程斷續出現，經(jīng)過(guò)試驗驗證模塊變形量在0.15 mm 以下即不影響焊接，也不出現虛焊問(wèn)題，修訂企標及器件圖紙，模塊測試篩選變形量標準按0.15 mm 進(jìn)行控制。

2.3 主芯片1.2 V連錫短路

經(jīng)過(guò)對廠(chǎng)家PCB 板進(jìn)行詳細分析發(fā)現，導致模塊出現大量無(wú)通信故障的原因是廠(chǎng)家生產(chǎn)PCB 板存在設計不合理的地方，有3 個(gè)方面缺陷：1.2 V 對應焊盤(pán)之間無(wú)阻焊窗、無(wú)開(kāi)槽以及焊盤(pán)之間沒(méi)有阻焊油墨。PCB板焊盤(pán)尺寸整體偏小，由于焊盤(pán)變小生產(chǎn)工藝沒(méi)變，錫膏量相同導致焊盤(pán)錫膏量偏多，在引腳上錫熔融后溢出導致引腳之間短路。新PCB 增加焊盤(pán)尺寸30%、焊盤(pán)之間增加阻焊油墨及地端焊盤(pán)外側開(kāi)槽要求（改變錫流動(dòng)方向），徹底解決了短路不良。針對該問(wèn)題已經(jīng)將PCB 尺寸及焊盤(pán)、阻焊、開(kāi)槽等尺寸一致性控制納入入廠(chǎng)檢及檢驗規范重點(diǎn)控制項目。

3   整改總結及意義

模塊應用出現大量失效，經(jīng)過(guò)分析均為模塊制造及設計問(wèn)題導致長(cháng)期大批量下線(xiàn)。經(jīng)過(guò)對物料深入分析研究最終找到可行解決方案，對于模塊芯片過(guò)電失效從設備器件失效及過(guò)電檢測保護方面進(jìn)行整改，可以有效監控異常電壓及時(shí)進(jìn)行保護。針對模塊PCB 翹曲度不合格問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗驗證確定控制標準，標準控制在0.15 mm，模塊焊接不受影響。針對芯片1.2 V 短路問(wèn)題進(jìn)行焊盤(pán)尺寸及開(kāi)槽、增加阻焊窗整改，有效解決短路不良，經(jīng)過(guò)實(shí)際跟蹤整改效果顯著(zhù) 。

參考文獻：

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

[2] 袁澤高.基于A(yíng)RM的WiFi通用智能控制終端的設計與開(kāi)發(fā)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2012.

[3] 杜寶禎.嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化測控系統的設計與實(shí)現[D].贛州:江西理工大學(xué),2010.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）