電動(dòng)車控制器中MCU 失效分析及整改措施

孫運(yùn)濤，王 彬，王云飛，虞勇堅(jiān)

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無(wú)錫 214072）

1 引言

電動(dòng)自行車因速度快、省力、便捷等優(yōu)點(diǎn)，成為人們短途出行的最佳選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì)2020 年國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車保有量已超3 億輛。電動(dòng)自行車控制器（以下簡(jiǎn)稱控制器）是電動(dòng)自行車上最重要的控制部件，長(zhǎng)期工作在高溫、大電流環(huán)境下，在使用過(guò)程中易出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。微控制器（MCU）作為控制器中最核心的器件，它的可靠性決定了整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)失效發(fā)生時(shí)運(yùn)用失效分析技術(shù)對(duì)失效問(wèn)題進(jìn)行分析并及時(shí)改善，可以有效提高產(chǎn)品的可靠性，降低風(fēng)險(xiǎn)成本，保證客戶利益[1]。

失效分析是以失效物理學(xué)為理論基礎(chǔ)，使用必要的物理、金相和化學(xué)分析等技術(shù)，研究失效元件的失效現(xiàn)象、失效機(jī)理，分析其失效原因的技術(shù)[2]。通過(guò)對(duì)器件的失效分析找到失效的根本原因，及時(shí)糾正和預(yù)防失效發(fā)生。按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，集成電路失效的種類有很多。按失效機(jī)理分類，集成電路的失效可分為結(jié)構(gòu)性失效、熱失效、電失效、腐蝕性失效等[3]。其中電性失效的主要原因是器件的電壓或電流超過(guò)了器件的最大承載能力。本文對(duì)某款控制器中主控MCU器件管腳遭受過(guò)電應(yīng)力導(dǎo)致的電性失效現(xiàn)象進(jìn)行了失效定位和失效機(jī)理分析，并給出了有效的改進(jìn)措施。

2 失效現(xiàn)象

某型號(hào)控制器終端裝車后接到終端質(zhì)量異常反饋，電動(dòng)自行車充電后不能正常行駛，其他功能均不能正常工作，替換控制器后恢復(fù)正常。初步判斷是該控制器損壞導(dǎo)致，因?yàn)樵撔吞?hào)控制器新增了充電狀態(tài)檢測(cè)、電池電量檢測(cè)等功能[4]，推測(cè)可能為充電檢測(cè)部分功能異常導(dǎo)致MCU 失效。

該控制器使用的主控芯片CKS32F103C8T6 為國(guó)產(chǎn)的32 位MCU。CKS32F103C8T6 采用Cortex-M3 內(nèi)核，最高工作頻率72 MHz，片上集成32 kB FLASH 存儲(chǔ)器，20 kB SRAM 存儲(chǔ)器，2 個(gè)12 位16 通道AD 轉(zhuǎn)換器，3 個(gè)16 位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4 個(gè)用于輸出比較PWM 或脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入，1 個(gè)16 位帶死區(qū)控制和緊急剎車、用于電機(jī)控制的PWM 高級(jí)控制定時(shí)器。芯片還包含I2C、SPI、USART、CAN、USB 等通訊接口，非常適合在電動(dòng)自行車控制器中使用。

對(duì)功能失效的控制器進(jìn)行分析，首先拆開外殼進(jìn)行外觀檢查，形貌如圖1 所示，控制器主板外觀未見明顯異常，MCU 外觀未見明顯異常。

圖1 某控制器主板外觀

用福祿克289C 萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量主板上MCU引腳對(duì)地電阻，發(fā)現(xiàn)VDD 引腳對(duì)地短路、PB6 引腳對(duì)地短路，拆下MCU 后測(cè)量主板上焊盤對(duì)地電阻正常，確認(rèn)主板上的MCU 損壞導(dǎo)致控制器不能正常工作。CKS32F103C8T6 引腳分布如圖2 所示。

圖2 CKS32F103C8T6 引腳分布

3 失效原因及失效機(jī)理分析

3.1 電測(cè)試

隨機(jī)從失效芯片中選取6 顆進(jìn)行非破壞性測(cè)試，用福祿克289C 萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量各個(gè)引腳對(duì)地電阻值。測(cè)量發(fā)現(xiàn)MCU 的VDD 引腳和PB6 引腳對(duì)VSS的阻值均小于10 Ω，正常芯片這些引腳對(duì)VSS 的電阻值應(yīng)大于10 MΩ，6 顆失效芯片的測(cè)量結(jié)果一致。失效芯片和良品芯片的測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 VDD 和PB6 引腳對(duì)VSS 的阻值測(cè)量結(jié)果

用福祿克289C 萬(wàn)用表二極管檔測(cè)量MCU 各引腳對(duì)VSS 保護(hù)二極管正向?qū)▔航担∕CU 引腳結(jié)構(gòu)如圖3 所示），測(cè)量發(fā)現(xiàn)VDD 引腳和PB6 引腳對(duì)VSS保護(hù)二極管特性改變，二極管正向?qū)▔航到咏? V，并且對(duì)6 顆失效芯片的測(cè)試現(xiàn)象基本一致。失效芯片和良品芯片的測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

圖3 CKS32F103C8T6 引腳基本結(jié)構(gòu)

表2 VDD 和PB6 引腳對(duì)VSS 保護(hù)二極管的電壓測(cè)量結(jié)果

3.2 尋找失效原因和失效分析

分析控制器原理圖發(fā)現(xiàn)PB6 管腳正是用來(lái)實(shí)現(xiàn)充電檢測(cè)功能的引腳（如圖4 所示）。電路使用PB6 引腳串聯(lián)T3二極管后通過(guò)YY 接口連接到充電器端，當(dāng)充電器插入時(shí)YY 被短接到充電器參考地，此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)為充電狀態(tài)。當(dāng)充電器拔出時(shí)YY 被上拉電阻R1拉高到VDD，此時(shí)檢測(cè)為非充電狀態(tài)。

圖4 充電檢測(cè)端口原理

YY 端口為充電狀態(tài)檢測(cè)口與充電器地線連接，以實(shí)現(xiàn)充電狀態(tài)檢測(cè)功能，充電器與控制器連接方式及接口照片如圖5 所示。因線電感和線電阻的存在[5]，充電時(shí)控制器地與充電器地的電平并不相等，當(dāng)充電器在2 A 額定電流下充電時(shí)突然拔出充電器，YY 端口產(chǎn)生了非常大的負(fù)電壓，電壓測(cè)量波形如圖6 所示。此負(fù)電壓導(dǎo)致PB6 端口保護(hù)二極管導(dǎo)通（圖3 中引腳對(duì)VSS 的保護(hù)二極管），因瞬時(shí)電流大，保護(hù)二極管過(guò)熱燒毀。

圖5 控制器與充電器接口實(shí)物圖

圖6 充電過(guò)程中拔下充電器時(shí)YY 端口的負(fù)壓波形

3.3 失效定位

為進(jìn)一步對(duì)失效位置進(jìn)行定位，對(duì)失效器件進(jìn)行X 射線拍照[6]，X 射線圖見圖7，檢查發(fā)現(xiàn)MCU 內(nèi)部鍵合絲正常，未發(fā)現(xiàn)熔斷、塌絲等異常情況。

圖7 失效器件X 射線圖

采用激光開蓋化學(xué)腐蝕的方法露出芯片表面，在無(wú)陌光學(xué)WMJ-9870 顯微鏡下觀察PB5、PB6、PB7 焊盤附近可見明顯燒毀痕跡（如圖8 所示）。放大后可見這些芯片焊盤與鍵合絲鍵合部位有明顯燒毀痕跡，PB6 焊盤附近可見明顯電源環(huán)、地環(huán)鋁布線熔融現(xiàn)象（如圖9 所示），呈典型大電流引起的過(guò)熱失效現(xiàn)象。

圖8 PB6 焊盤附近可見明顯燒毀痕跡

圖9 PB6 焊盤局部放大照片

3.4 失效復(fù)現(xiàn)

根據(jù)解剖后的失效分析結(jié)果，基本確定為MCU引腳負(fù)壓造成的器件大電流過(guò)熱燒毀失效，為進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果，取一顆良品器件在PB6 引腳施加-5 V電壓，測(cè)量端口保護(hù)二極管呈短路失效。對(duì)試驗(yàn)器件進(jìn)行解剖觀察，PB6 焊盤部位可見明顯燒毀痕跡[7]，與失效芯片現(xiàn)象一致，具有典型的過(guò)熱失效特征。試驗(yàn)器件局部照片如圖10 所示。

圖10 試驗(yàn)器件PB6 端口施加負(fù)電壓失效照片

對(duì)比發(fā)現(xiàn)直接在試驗(yàn)器件端口施加-5 V 電壓導(dǎo)致的失效與實(shí)際失效現(xiàn)象一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了失效分析的結(jié)果。

4 改進(jìn)措施與結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)第3 節(jié)分析結(jié)果，修改后的充電檢測(cè)電路原理見圖11。在PB6 引腳對(duì)地添加電容C1和二極管D2，當(dāng)負(fù)壓產(chǎn)生時(shí)電流通過(guò)D2而非芯片內(nèi)部的端口保護(hù)二極管泄放，同時(shí)增加的電容和二極管對(duì)端口上的浪涌和ESD 放電也起到了一定的防護(hù)作用。根據(jù)上述的分析可見失效的關(guān)鍵原因是充電檢測(cè)端口產(chǎn)生的負(fù)壓，只有通過(guò)修改充電檢測(cè)的連接方式避免負(fù)壓的產(chǎn)生才能從根本上解決問(wèn)題。修改后使YY 端口在近端與控制器地短接而不與充電器地短接，避免充電器參考地與控制器參考地的壓差引入充電檢測(cè)端口，改進(jìn)后的充電檢測(cè)連接方式如圖12 所示。改進(jìn)后經(jīng)過(guò)多批次的裝車驗(yàn)證未發(fā)生類似失效，MCU 的失效問(wèn)題得到了有效解決。

圖11 改進(jìn)后的充電檢測(cè)電路原理

圖12 改進(jìn)后的充電器與控制器連接方式

5 結(jié)論

導(dǎo)致MCU 失效的主要原因是控制器電路設(shè)計(jì)缺陷，未做好端口防護(hù)設(shè)計(jì)，未能考慮到接口熱插拔的浪涌問(wèn)題。充電器連接時(shí)各參考地存在較大壓差，電路中雖然有T3二極管防止YY 端口高電壓進(jìn)入MCU，但未考慮到端口負(fù)壓情況，設(shè)計(jì)方案未能起到有效保護(hù)作用。本文從應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，結(jié)合集成電路失效分析技術(shù)，完成了失效的定位、機(jī)理分析以及失效復(fù)現(xiàn)，給出了改進(jìn)措施，有效解決了充電器接口熱插拔引起的MCU 失效問(wèn)題。