物聯網智能空調用WiFi無線通信模塊應用可靠性分析

尹粵卿

摘 要：WiFi無線通信模塊應用出現大比例失效，問題類別多，斷斷續續下線一年沒有得到徹底解決，嚴重影響產品質量。經過對大量模塊進行深入分析，發現均為模塊制造及設計問題導致長期大批量下線，通過研究最終找到了有效解決方案，從器件本身制造及設計存在問題著手采取有效措施解決問題。

關鍵詞：物聯網；WiFi模塊；短路；無局域網

0 引言

物聯網最近幾年開始快速發展，它是當代信息時代的核心部分。也是步入信息化時代實現萬物互聯的核心技術，物聯網通過智能感知與識別技術實現人與人、物與物、人與物的信息互聯及信息交換。該技術被稱為第三次信息產業革命，是新一代信息網絡技術的高度集成與綜合應用，也是下一個推動世界高速發展的重要生產力。

作為物聯網傳輸層核心器件，WiFi模塊目前在家用電器等領域逐步投入使用。WiFi無線網絡是有AP和無線網卡組成的無線通信網絡，可以將個人電腦、手持設備（PDA、手機）等終端以無線方式進行互聯[1]。它是一種短程無線傳輸技術，能夠在百英尺（1英尺約為0.3048米）范圍內支持互聯網接入無線電信號，幫助用戶訪問電子郵件等，為用戶提供無線的寬帶互聯網訪問；同時也是家庭、辦公室或旅途中上網的便捷路徑。總之，WiFi組網方式簡單，主要技術優點是無線接入、高速傳輸以及傳輸距離遠。

2016年A企業開始實施智能家居戰略，智能空調應運而生。實現空調智能化的重要組成器件WiFi模塊開始批量投入使用，而應用過程出現大量失效下線，半年累計達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問題（1.2 V短路制造問題），嚴重影響了產品質量，需要緊急采取有效方案解決問題。

1 失效分析

1.1 WiFi模塊中聯發科主芯片短路故障分析

1.1.1 器件阻值特性分析

對下線模塊進行大量分析統計后，發現模塊失效全部是8～11腳VCC對地短路，正常情況呈高阻狀態（200 kΩ以上），短路點如圖1。

● 失效模塊實際阻值特性檢測數據

對故障品進行檢測，異常品VCC對地阻值、PN值測試穩定。阻值范圍除個別超過1 kΩ，其他均在1 kΩ以下。通過測試核實確定測試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，時刻在逐漸變化，開始檢測在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 芯片失效開封解析

對下線芯片進行分析，芯片失效集中在對應P117即VCC供電對地短路，芯片開封解析查看內部片芯對應P117即VCC供電金線綁定區域基板表層有明顯過電燒毀痕跡，分析是過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電沖擊試驗模擬分析

1）MTK 芯片電源部分 ESD水平實驗測試

針對WiFi模塊失效，表現故障現象VCC對地失效及無局域網問題，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行功能測試受損，還是芯片直接過電擊穿失效。對芯片進行ESD水平測試，通過測試芯片電源部分VCC對地ESD，總體測試5單樣品全數通過20 kV，沒有出現失效，芯片ESD測試數據如表2。經過檢測確認芯片電源部分是高阻抗口，從實驗測試情況看，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）。經過分析芯片失效與ESD無直接關系。

2）MTK芯片電源部分VCC EOS水平實驗測試

經過分析模塊是過電EOS失效，原因為測試設備過電導致，安排對模塊進行過電模擬實驗。從實驗測試看，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，過電模擬實驗測試數據如表3，芯片檢測分析結果及過程與下線品相同，可以確定模塊失效是因為測試設備過電所致，從測試情況看芯片過電會立刻失效。

3）分析總結

經過對模塊進行檢測、無損分析、開封分析查看內部片芯對應P117即VCC供電金線綁定區域基板表層，發現有明顯過電燒毀痕跡，分析認為是過電導致芯片擊穿失效。對代工廠生產過程進行分析排查發現，廠家生產過程篩選測試設備主板器件失效導致芯片受過電沖擊失效（過電沖擊實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電增加測試監控，有效解決了該問題。

1.2 PCB板翹曲度不合格導致虛焊問題

生產過程中使用WiFi模塊時發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。

1.2 .1 PCB板翹曲度對裝配影響實驗驗證

模塊生產出現大批量虛焊現象，經過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量，安排實驗進行驗證，以制定管控標準。對模塊進行現場測量，曲翹度及過爐后不良數量情況如下，不良板全部是圖3紅色框一側兩個焊點脫焊。模塊翹曲度程度對焊接影響試驗數據如表4。及格過試驗驗證分析確定焊接工藝方面接受可焊區形變為0.12 mm。

1. 2.2 分析總結

模塊PCB板變形問題一直很突出，生產過程中斷續出現，經過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進行控制。

1.3 模塊無局域網問題分析整改——1.2 V短路

經過分析模塊無通信故障是芯片1.2 V短路所致。大量數據統計匯總分析發現失效模塊對應失效位置統一，從解剖芯片查看焊盤上錫焊接情況，并對大量失效板進行尺寸、設計合理性進行深入分析研究，發現板存在三個方面設計缺陷。

1）從焊盤上錫外觀及短路狀態看，芯片焊盤印刷錫膏量偏多，導致過回流焊后錫熔融向焊盤之間方向流動，最終連錫短路。解決方案是增加焊盤尺寸，經過試驗驗證評估，增加30%可以有效解決問題。

2）焊盤實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。兩個焊盤之間實際沒有有效阻焊油墨隔離，一般通信板芯片焊盤設計均有阻焊油墨覆蓋。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，過回流焊時錫通常是往兩個焊盤中間聚錫，由于設計不合理增加短路概率。通過地端開槽改變錫融化焊接時錫流動方向，與整改前流動方向相反。

1.3.4 分析總結

經過對廠家PCB板進行詳細分析發現，導致模塊出現大量無通信故障的原因是廠家生產PCB板存在設計不合理的地方，有3個方面缺陷：1.2 V對應焊盤之間無阻焊窗、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，由于焊盤變小生產工藝沒變，錫膏量相同導致焊盤錫膏量偏多，在引腳上錫熔融后溢出導致引腳之間短路。新PCB增加焊盤尺寸30%、焊盤之間增加阻焊油墨及地端焊盤外側開槽要求（改變錫流動方向），徹底解決短路不良。針對該問題已經將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規范重點控制項目。

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

PCB板開槽大小。長：（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

經過對模塊進行檢測、無損分析開封查看內部片芯對應P117即VCC供電金線綁定區域基板表層，發現有明顯過電燒毀痕跡，分析為過電導致芯片擊穿失效。對代工廠生產過程進行分析排查發現，廠家生產過程篩選測試設備主板器件失效導致芯片受過電沖擊失效，對測試設備重新更換并對模塊過電增加測試篩選，有效解決本批次質量問題。

2.2 PCB板翹曲度不合格導致虛焊問題

模塊PCB板變形問題一直很突出，生產過程斷續出現，經過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進行控制。

2.3 主芯片1.2 V連錫短路

經過對廠家PCB板進行詳細分析發現，導致模塊出現大量無通信故障的原因是廠家生產PCB板存在設計不合理的地方，有3個方面缺陷：1.2 V對應焊盤之間無阻焊窗、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，由于焊盤變小生產工藝沒變，錫膏量相同導致焊盤錫膏量偏多，在引腳上錫熔融后溢出導致引腳之間短路。新PCB增加焊盤尺寸30%、焊盤之間增加阻焊油墨及地端焊盤外側開槽要求（改變錫流動方向），徹底解決了短路不良。針對該問題已經將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規范重點控制項目。

3 整改總結及意義

模塊應用出現大量失效，經過分析均為模塊制造及設計問題導致長期大批量下線。經過對物料深入分析研究最終找到可行解決方案，對于模塊芯片過電失效從設備器件失效及過電檢測保護方面進行整改，可以有效監控異常電壓及時進行保護。針對模塊PCB翹曲度不合格問題，通過實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短路問題進行焊盤尺寸及開槽、增加阻焊窗整改，有效解決短路不良，經過實際跟蹤整改效果顯著 。

參考文獻：

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

[2] 袁澤高.基于ARM的WiFi通用智能控制終端的設計與開發[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2012.

[3] 杜寶禎.嵌入式無線網絡化測控系統的設計與實現[D].贛州：江西理工大學，2010.