【经验】电源芯片现场运行时失效的原因说明和采用隔离型DC/DC电源模块BP5324设计的备用方案解析
笔者从事的工业控制领域对设备的可靠性有着较高的要求，因此在笔者选取物料时一般采用一线品牌的主流产品。但即使是这样，笔者也曾经遇到过元器件自身的原因造成的失效情况。本文分享的就是一颗L厂家的电源芯片在现场运行中失效的实际案例及相关的失效分析，希望能给大家一些启发。
笔者选用了L厂家一颗输出±12V的芯片（暂且称为T芯片）作为模拟采样部分的电源，设备设计完成之后，样机顺利通过各类测试，设备量产后发货至多个工程现场投入运行。一年后，陆续有该设备的故障情况反馈至笔者处，且在夏天时故障出现最为频繁。
经排查，该设备所有故障情况均为板上T芯片失效所致，失效现象主要是+12V或-12V输出电压偏差较大，有的甚至无输出，且失效的T芯片与芯片的生产批次无关。在收到反馈报告之后，笔者所在设计小组马上对硬件设计进行了检讨，再次进行了同行评审。结论是各项原理图及PCB的设计细节均满足要求，样机测试数据也符合芯片规格书承诺。
同时，因为芯片是QFN封装，PIN间距较小，所以焊装工艺也是最初被怀疑的对象。为此对故障板件进行了X光探查，该手段能够检出粘锡、异物、PCB断线等异常情况。但X光探查并未发现任何异常，其中一块板件的X光图像如下：
随后，部分失效的T芯片被拆下进行了声学微成像分析，该分析手段能够发现各种芯片内部剥离、裂纹和空洞的内部缺陷。分析发现有些失效的T芯片内部出现了引脚与塑封料之间部分分层现象，如下图所示：
此种情况一般是芯片受潮后在焊装过程中产生“爆米花”效应所致。为此笔者对表贴生产线的潮敏控制进行了追溯。根据规格书，T芯片的MSL为1级，即“暴露于小于或等于30°C/85% RH 没有任何车间寿命”，而生产车间的控制是按照拆包后24小时完成焊装进行控制的。也就是说，如果T芯片的设计符合其规格书的承诺，那生产的过程不会造成“爆米花”现象。因此，比较可能的原因是芯片在解焊过程中的操作不当造成。这也提醒我们拆解器件之前一定要按照正规的流程对板件进行干燥处理，并使用专业的红外解焊台进行，否则简单的使用热风枪或者电烙铁进行拆解，极易造成器件的“内伤”，为后续的分析带来干扰。
接下来，分析的思路转向了EMC。T芯片的失效有可能是由类似电涌的冲击造成的，因为模拟量是由二次回路经电缆引入的，外部较大的电磁能量的涌入有可能对模拟电路部分的器件产生破坏。虽然在产品定型过程中已经通过了EMC的摸底试验和认证试验，但笔者还是再一次在EMC实验室中反复模拟快瞬、浪涌、静电等干扰，结果均未能造成样品设备的损坏。为了进一步验证，失效分析实验室对多片失效的T芯片进行了化学开封，暴露出芯片内部。显微图像显示芯片内表面及内键合点未见明显过热、过电、机械损伤，失效样品的表面版图与良品一致。T芯片DIE表面如下图所示：
随着气温的升高，现场设备失效的情况却逐渐来到一个小高峰。显然，失效情况的发生和环境温度有关！既然上述芯片开封检测并未观测到过热、过电损伤，那么笔者考虑同样和热相关的电化学腐蚀或化学腐蚀的可能性，因为温度应力对此种腐蚀作用有较大的加速效果。
为了观测是否有腐蚀现象的发生，我们去除了样品芯片的表面钝化层、金属化层。经过仔细的显微观察，在各失效芯片中均发现有类似结构形态不完整，怀疑是发生了腐蚀，如下图所示：
经向原厂咨询，此部分为SiCr薄膜电阻，负责输出电源的反馈采样。显微图像显示SiCr薄膜电阻受到了腐蚀，因此阻值会发生变化，造成输出电压偏差。相关资料显示Cr-Si系硅化物薄膜具有较高的片层电阻、较小的电阻温度系数，常常作为精密电阻薄膜材料用于集成电路中。虽然其本身具备一定的抗腐蚀性，但是在某些腐蚀环境下（例如酸性、碱性等）薄膜表面结构和电性能仍然会因腐蚀而发生改变，特别是当温度升高，材料的劣化会在很短的时间内形成！
经过以上艰苦的探究，终于找到了T芯片失效的原因。笔者一边联系原厂进行交涉，一边采取紧急的措施缓解设备失效的发生。笔者向生产线提出了对使用该芯片的PCBA增加喷涂三防漆的工艺步骤，特别是对T芯片区域进行加强喷涂。此后的实践也证明了该措施是有效的，经过三防处理的板件没有再发生失效现象。同时，经过笔者的反复交涉，L厂家对T芯片的制造工艺进行了升级，加强了芯片内的防护涂层。升级后的芯片经过测试，在不做三防的情况下也不再发生失效。至此，问题得到解决。
回过头看L厂家提供的T芯片可靠性报告，即使是在应力加速实验中T芯片的表现也非常优秀：这个案例也说明即使是世界一流的厂家，产品也可能存在缺陷，厂家提供的各项规格书和可靠性报告也只是在理想情况下得到的，不可迷信。
硬件设计常常考虑后备方案，笔者采用了隔离电源模块作为后备方案。世强代理的罗姆品牌旗下的隔离型DC/DC电源模块BP5324输入为5V，输出12V，最大输出电流达250mA，可以满足大部分模拟量采样的应用场景。而且电源模块经过了二次封装，对环境的耐受性要强于分立器件，能有效避免本文中提到的芯片内腐蚀情况的发生。笔者通过2颗隔离电源模块输出侧串联，同样可实现+12V，GND，-12V的输出。BP5324部分参数指标如下：
使用时注意不要超过模块极限参数，并保证留有足够的余量。
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xiaoRobert Lv5. 技术专家 2020-07-08完整的一次问题分析定位学习 -
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horrybotter Lv4. 资深工程师 2020-05-15yes
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