空調用控制器抗靜電設計可靠性分析

李文濤 馮體艷

摘 要：在生產過程中，空調用控制主板不可避免地會遇到靜電問題。靜電放電的發生大多是通過金屬間的接觸，在很短時間內迅速聚集和釋放能量，從而對靜電敏感元件造成致命損傷。所以，需要在控制器電路設計方面對靜電影響進行可靠性研究和分析，并提出根本性的解決方案。

關鍵詞：空調用控制器;抗靜電;可靠性

中圖分類號：TM921.51文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）11-0037-03

Abstract： In the production process， the control motherboard for air conditioning will inevitably encounter static electricity problems. Electrostatic discharge （ESD） occurs mostly through contacts between metals. In a very short period of time， ESD rapidly accumulates and releases energy， thus causing fatal damage to electrostatic sensors. Therefore， it is necessary to study and analyze the reliability of the electrostatic effect in the design of the controller circuit， and put forward a fundamental solution.

Keywords： controller for air conditioning;antistatic;reliability

空調在生產過程中，造成元件損傷的靜電是質量控制過程中最大的難題。因此，在元件可靠性控制方面，除了要提高元件本身的抗靜電能力外，還要提升電路的抗靜電能力。本文通過靜電失效案例來說明提升電路抗靜電能力的重要性。

1 事件背景

2016年12月，某空調生產基地Z，在生產圓通柜機IM機型時，過程反饋失效1單出風異常。經排查為控制器主芯片失效，主芯片17腳特性異常，初步分析為過電失效，為過程測試導致[1]。針對該問題，對電路進行升級改造，2017年2月完成技術整改。但是，整改后，2017年11月，在IM、IS機型一級能效和FQY機型2級能效機型上又開始大量下線，從2017年11月23日到2017年12月26日，總裝共計下線25單不良，故障現象全部為出風異常。測試主芯片17腳，其對地阻值偏小（正常品3.5MΩ，故障品700Ω）。

此外，2018年售后累計投訴4單，故障現象為上電開機出大風，頻繁化霜，復核為主芯片17腳失效導致主板進入快測模式。

2 失效機理分析

2016年，對該問題失效的初步分析如下：排查為主芯片17腳特性異常。對17腳應用電路的分析結果為：主芯片17腳連接的是快測模式接口，在過程功能測試時，通過該接口進入快測模式，提高檢驗效率。該電路主要由2個電阻、1個電容組成，直接連接快測模式接口。該引腳無其他引進電方式，初步判定為測試時過電損傷導致[2]。圖1為測試導致芯片燒毀靜電流向圖。

針對該分析結果的解決措施為：貼片R20由100Ω改成5.1K。

該改善措施于2017年2月完成，但整改后同年2017年11—12月又出現大量同類質量異常反饋，且2018年售后數據顯示，也開始有此類問題出現?？梢姡鲜龇治鼋Y果不是造成此異常的主要原因。

2018年，再次對該問題進行梳理：①全部為集中在同一款PCB編碼機器上;②過程下線多單開機后出強風問題，原因為主芯片17腳特性異常（呈阻性，正常為兆歐級，下線異常芯片為百歐級）;③事故發生在冬季，進入秋冬季后受制于氣溫下降，空氣濕度低，過程容易起靜電;④與芯片5V電源不共地，17腳測試點參考地從與12V對應的參考地上取的。

由于第4項沒辦法驗證其影響程度，故只對前三點異常問題進行分析驗證。

第一，PCB板設計差異性對比。不良PCB板是用在一級能效的機型上，而與此款PCB板設計相似的三級能效的機型上沒有出現此類問題，只有一級能效的板有此類問題。對比這兩種能效機型的PCB設計差異性發現，正常機型在針座上5V電源上接入點有一個TVS（5.8V）二極管，而出現問題的機型沒有該二極管。圖2為異常機型與OK機型電源電路設計差異。

第二，故障現象為：一上電，就顯示存在故障。從該情況看，說明異常在測試前已經發生。

第三，不良集中在冬季發生，說明該異常由靜電引起，而針座是引起靜電的最大源頭。

綜上所述，由于前期未弄清楚發生異常的原因，導致問題再次出現，整改措施才會失效。

3 引起故障的原因確認

通過上述分析可知，不良主要是由靜電引起的，與CN1針座直接接觸的是板間連線，說明板間連線存在較高靜電。具體驗證過程如下。

①板間連接線頭增加手指套（主芯片防靜電損傷），圖3為板間端子連線增加指套防護，避免靜電引入到端子內。批量驗證2 000套。驗證完畢，過程無下線，說明主芯片失效確實是由此板件連接線導入主板。

②在連接線頭增加手指套對過程生產效率影響偏大，綜合評估在連接線頭增加高溫膠紙替代手指套包裹端子（與手指套使用效果類似）。圖4為用高溫膠紙替代指套防護靜電，現場跟進驗證總裝過程使用不受影響，可直接對插。

經驗證1萬套，沒有再發生有不良下陷，而沒有進行防護的則依舊存在不良失效的現象。

從驗證情況看，造成此次質量事故的主要原因是：板間連線靜電過高，靜電從電源腳引入，對主芯片，該引腳進行ESD放電，造成靜電擊穿。圖5為主芯片靜電損傷失效機理圖。

綜上所述，通過進一步驗證，查清了該異常的失效機理，并確定了產生問題的原因，為提出針對性的整改措施提供了理論基礎。

4 整改措施

確定該不良產生的原因后，制定徹底的整改措施，具體措施如下。

①主芯片增加大面積鋪GND，增加靜電的釋放路徑。圖6為主芯片增大鋪地面積。

②更改前：TEST測試端口的地是從12V的地取得，與芯片供電5V的GND不是同一個地;更改后，測試腳的地從5V對應電源直接取。

③TEST芯片口增加TVS管（預留），圖7為抗靜電預留TVS二極管位置。如果前面兩個整改措施無效，再根據具體情況增加。

5 整改結果確認

對優化后的PCB板整改效果進行驗證確認，共計驗證3 400個PCS，無同類異常下線，同時使用未更改前制品，仍然下線2單17腳失效故障。從驗證情況看，僅從修改主芯片鋪地面積和修改共地兩方面就能實現提高抗靜電能力的效果。該質量異常得到徹底解決。

6 結語

通過本次質量異常分析，筆者對靜電的來源和放電機理有了一定的認識和了解，同時也進一步驗證了電路設計對主芯片失效的影響，并在一定程度上提高了空調電路的可靠性，進一步提升了空調質量。

參考文獻：

[1]費慶宇.集成電路失效分析新技術[J].電子產品可靠性與環境試驗，2005（4）：1-5.

[2]袁琰紅，陳力，王英杰，等.基于ESD的芯片失效分析[J].半導體光電，2012（3）：397-400.