前言

在新能源汽车如火如荼发展的大背景下，因高压系统设计与质量管控等问题所引起的各类故障数量，也随着新能源汽车与高压产品数量的快速增长，呈倍数增长的态势；从外资大品牌的失控加速门事件，到自主大品牌的自燃门事件；高压电控产品的稳定性与可靠性已经成为各大车企与各家TIR1企业关注点的重中之重。那么高压电控产品的失效原因、影响及改善措施主要有哪些呢？如何从产品的设计、验证、过程管控中的优化，来提升产品在市场上的稳定性与可靠性呢？本文以一颗电阻所引发的电控产品失效为引，就电控产品的设计、验证与批产质量管控中的一些注意事项，与广大设计同仁探讨一下产品在质量的稳定性与可靠性方面的个人建议与看法。

1、产品功能失效事件基本情况介绍

本文讨论的产品失效事件基本情况如下：

发生时间：某一年的上半年；
发生地点：客户端——整车EOL下线工位、短里程终端用户；TIR1端——控制器EOL下线工位、电桥总成EOL下线工位；SMT端——PCBA的FCT工位；
失效现象：整车端——启动过程中突然掉高压，无法挂档前行；仪表盘显示电机故障；TIR1端——MCU电源监控故障；SMT端——PCBA在低压上电的过程中出现放电火光，低压电流突然减小，报驱动电源电压监控故障；查看PCBA可发现明显的器件烧蚀损坏；
对失效件的PCBA检测后发现：PCBA上用于将输入电源转换为驱动电源电压的BUCK-BOOST电路中，H桥所对应的功率MOSFET损坏；

2、产品失效原因分析

针对产品在各个应用环境与工作场景失效样件的相关数据进行统计、梳理后发现器件的损坏现象的特征如下：

损坏的器件主要集中在H桥的输出侧上管（所有失效的PCBA上，对应的该器件均损坏）；
所有控制器的损坏，均发生在控制器PCBA上电的过程中；
PCBA的生产日期主要集中在第一季度的同一批次（失效的占比约为85%）；其余批次的PCBA发生损坏的占比相对较低；
所有失效的PCBA的流水号均为偶数编号。

2.1失效电路的工作原理分析

失效电路为电源电压转换的Buck-boost电路，其主要的工作原理便是：通过开、关MOSFET，对感性元件和容性元件实现充、放电控制，进而实现输出电源电压的控制；其功率转换部分的电路原理如下图1所示：

图1

Buck-boost电路是开关电源中的经典控制电路，其极简的工作原理如下：

当VCC_IN的电压低于输出电压VCC_OUT时，电路工作在Boost模式；
在Boost模式的一个周期前半段，Q1常开，Q4导通时，电流经Q1、L1与Q4回到地，电感L1利用其感性特性，产生与电流方向相反的感应电压，实现储能；
当L1储能完成进入控制周期的半段，Q4关闭，Q1、Q2导通；电感里面所存储的电能以感应电压的形式释放出来与VCC_IN的输入电压形成电压叠加（串联）；
VCC_OUT的电压上升，对输出电容进行充电；当VCC_OUT的电压达到输出电压的设定值时，Q2关闭，Q1、Q4导通；重复步骤2的操作，形成循环；
当VCC_IN的电压高于输出电压VCC_OUT时，电路工作在Buck模式；
在Buck模式的一个周期前半段， Q2常开，当Q1导通时，电流经Q1、L1与Q2，对于电感L1与输出电压VCC_OUT的电容进行储能充电，
当VCC_OUT的输出电容电压达到设定值时；Q1断开，电感L1中存储的能量对VCC_OUT的电容继续进行储能充电，使VCC_OUT的电压稳定在设计要求的范围内；
当VCC_OUT的电压接近设计要求的下限时，Q1闭合导通，继续对电感L1和VCC_OUT的电容继续进行储能充电，形成输出电压VCC_OUT的闭环控制；
Buck-boost模式的工作原理即是以上两个步骤的交替进行与循环。

2.2器件失效机理的分析与排查

2.2.1器件失效分析

针对该Buck-boost电路的工作原理与特性，结合Q2与Q4等损坏现象与失效样件的工作状态，统计可能引起故障的风险如下图2所示：

图2

结合电路原理进行失效机理分析：

由于该电路的器件选型与应用的批产时间较长，存在设计不合理的可能较小；
对于同一批产的PCBA与控制器，进行该电路的实际测试与排查，通过栅极电压的测试数据，与将MOSFET从PCBA上拆下来，采用飞线连接的方式测试正常工作条件的负载时，MOSFET均工作正常，且温升不超过60℃；排除设计上可能存在的以下三类风险：a、栅极电压过低导致的热失效；b、MOSFET的焊盘过小，散热能力不足；c、散热焊盘焊接不良；
采用程控电源对电路的输入电压进行设定，人为引入ISO16750中低压电气负荷要求的各项电压跌落与过压冲击测试；Buck-boost电路的工作状态与输出电压均工作正常，排除电源电压波动所引起的器件过压失效和模式切换所导致的器件过压失效；
采用电子负载对电源电路进行输出载荷测试：以正常工作所需的1.5倍功率，进行带载启动、最大负载下的载荷突变（抛负载等）等负荷测试；Buck-boost电路的工作状态与输出电压均工作正常，排除负载波动所引起的器件过压失效；
电源芯片本身不存在故障或失效时，在正常的Buck-boost芯片控制下，无法模拟桥臂短路与回路短路所引起的器件失效；但基于电路原理分析可知：强行模拟桥臂或回路短路工况，在大于一定微秒的时间下，必然导致MOSFET的器件损坏。

2.2.2器件失效排查

基于以上的电路原理与失效的可能性分析结果，结合失效PCBA的流水号均是偶数，且PCBA的生产日期较为集中在某一批次的特点；问题分析重点便落实到生产加工的工艺管控排查上。

采用X-RAY与电子显微镜相结合的方式，对于失效PCBA中外观或功能暂时完好的MOSFET与输出电容等器件的焊接质量排查情况如下图3所示：

图3

由图3中电子显微镜与X-RAY的排查结果可知：PCBA在SMT焊接的过程质量管控中，存在较为明显的外观与焊接质量不良；特别是MOSFET在D-S之间的锡珠，在高温与较高电压条件下，可能存在因其电气间隙及爬电间距不足而使D-S之间出现短路或阻抗较低的导通；一旦MOSFET的D-S之间存在不受G极控制的大电流导通，则极有可能直接损坏MOSFET。

采用X-RAY与电子显微镜相结合的方式，对于失效PCBA中MOSFET栅极电阻的焊接质量排查情况如下图4所示：

图4

由图4中电子显微镜与X-RAY对MOSFET的栅极电阻排查结果可知：

失效PCBA的栅极电阻存在自身开裂的情况；
破坏掉PCBA上栅极电阻对应测试点的三防漆后，对栅极电阻的阻抗进行测试发现，栅极电阻的阻值由其标称值20Ω，变成了330Ω左右；
对所有失效PCBA所对应MOSFET的栅极电阻进行外观与阻抗检测后发现——所有失效PCBA的Q2栅极电阻，均存在开裂且阻值变大的情况；

2.3器件失效的故障复现与原因锁定

2.3.1器件失效的故障复现

基于X-RAY与电子显微镜所得的排查结果可知，存在MOSFET损坏的主要可能原因有二：a、MOSFET的焊接质量问题；b、MOSFET的栅极电阻开裂问题。为确定引起控制器失效的具体原因，需进行确定试验条件下的器件失效故障复现。

由锡珠引起的焊接质量故障复现：

锡珠直接影响MOSFET在D-S之间的电气间隙与爬电间距，发生D-S击穿的条件主要在高环温、高电压情况下；
存在锡珠的问题，可通过在控制器的最高工作温度、最高额定工作电压条件下进行正常工作，以实现故障问题的试验加速；
将通过X-RAY筛选后，MOSFET的D-S之间存在锡珠的PCBA，组装成完整的控制器后，放置到环温85℃，低压工作电压为16V的试验条件下；
调整低压工作的程控电源，按照20秒（工作15秒，关断5秒）一个周期，进行的控制器重复上、下电试验；
控制器在持续进行10000次的上、下电测试后，并未出现控制器的MOSFET损坏；
试验结果可排除产品在整车下线或短里程情况下，因MOSFET的D-S极之间存在锡珠而引起的击穿失效；

由故障失效的统计数据分析可知：控制器的失效发生在整车下线或短里程的上电过程中，因此10000次的高温加速试验，可说明MOSFET在D-S极之间存在的锡珠，非引起MOSFET失效的直接原因。但MOSFET在D-S之间的锡珠，在结露或环境污染增加时，因爬电距离减小而引起的电痕化腐蚀问题，在控制器全生命周期内的风险，仍是不可忽视的质量问题。

MOSFET的栅极电阻开裂问题：

找一块各项功能与焊接质量均正常的PCBA，将Q2的栅极电阻由20Ω，修改为330Ω；
将图1中的Q1、Q2、Q3、Q4的栅极电压信号，Q2的栅极电阻R2前端（与电源芯片的连接端）的电压信号，电感L1的输出电压与电流信号，全部连接到示波器上；
按照控制器在整车上发生故障时的温度与电源电压条件（环温25℃，低压电源14V）进行控制器的上电测试；
控制器在上电过程中，Q2、Q4出现瞬时放电火光，MOSFET的塑壳因过温损坏；损坏现象如下图5所示：

图5

5. 连接到示波器上的电压、电流信号，在故障发生时所检测到的波形变化如下图6所示：

图6

由栅极电阻开裂问题所进行的故障模拟复现试验，良好的复现了MOSFET的整个故障过程；针对所采集到的电压信号，结合Buck-boost电路的工作原理对于MOSFET损坏故障发生的原因分析如下：

在Q1、Q4导通对L1进行充电后，Q4关闭，Q2导通对于输出端VCC_OUT的电容充电；
在VCC_OUT的输出电压达到设定要求值后，电源芯片控制Q2关闭，Q4导通进入下一个循环；
Q2的栅极电阻因为开裂，阻值由20Ω的设计值，变为了330Ω的实际值时， Q2的栅极关断电压下降非常缓慢，在Q4导通时，Q2因栅极电压并未下降到关断门槛电压以下以实现关断；
Q2与Q4同时导通，H桥的右半部份形成了桥臂直通短路；
桥臂直通时，由于Q2的栅极电压偏低，MOSFET的导通阻抗较大，其自身的散热能力不足以支撑其此时的耗散功率，器件温度快速上升而导致器件损坏。

2.3.2器件失效原因锁定

根据以上的器件失效原因分析、排查及故障复现的结果，梳理归纳后可确定导致整车端与EOL端的控制器功能失效的根本原因： MOSFET的栅极电阻开裂，导致MOSFET在开通后，无法实现有效的关断控制；在电路要求H桥各MOSFET之间交替导通时，形成桥臂直通， MOSFET因桥臂直通短路的大电流而引起器件的损坏。

3、电阻损坏的原因分析

小封装电阻产品存在开裂或断裂现象，是SMT生产过程中比较常见的一种失效模式；对于电阻的失效，除去其来料自身的不良以外，导致电阻开裂或断裂的主要因素是PCBA在SMT过程中，因设备精度、人员操作、对配件的尺寸超差等问题所致。

针对该案例中电阻开裂失效的可能原因，我们采用MECE分析法，对于电阻失效可能的原因分析如下图7所示：

图7

从人、机、料、法、环几个方面，对于电阻开裂的可能原因进行分析、梳理后可确认，电阻开裂的可能原因有二：

电阻自身来料不良；
与电阻配合的PCB板，在SMT的贴片过程中存在配合尺寸超差；

对于电阻自身来料的问题，可基于以下几点数据的分析和逻辑推理，予以排除：

此电阻在PCBA中的单机用量大于10，而损坏始终发生在固定点位——Q2的栅极电阻；
所有损坏的PCBA，其编号均为偶数；
故障失效的电阻在实际生产所用电阻中的占比较低，且失效规律性与PCB编号强相关；

基于以上分析，电阻失效的核心原因中，对PCB及配合问题而言：

PCB因来料不良、放置不到位等原因，引起配合尺寸偏差；
在SMT贴片过程中，因电阻与PCB的配合尺寸超差，引起电阻与PCB上焊盘的撞击；
撞击产生的机械应力大于电阻所能承受的最大应力时，引起电阻开裂或断裂。

对设备精度而言：

PCB固定工装定位偏差、SMT设备尺寸控制精度低等原因，引起电阻与PCB上焊盘的撞击；
撞击产生的机械应力大于电阻所能承受的最大应力时，引起电阻开裂或断裂。

4、失效所引发的设计思考

4.1电路原理的设计思考

在MOSFET的驱动电路中，栅极电阻的主要作用：

在MOSFET开通时，通过限值对MOSFET的栅极注入电流，来控制栅极电压的上升斜率，减小MOSFET开通过程中，体二极管的反向截止冲击电流；优化电流应力；
在MOSFET关断时，通过限值对MOSFET的栅极抽取电流，来控制栅极电压的下降斜率，减小MOSFET关断过程中，由于系统的杂散电感所引起的电压尖峰，优化电压应力；

针对本例开关电源所用MOSFET的失效而言，从原理图的设计方面，有哪些可以优化的点呢？个人思考后想到的可能优化方案如下：

去掉栅极电阻，简化电路设计：采用电源芯片的输出信号直接驱动栅极的方式，取消栅极电阻。通过栅极电阻的作用分析可知：是否需要栅极电阻，在于MOSFET器件在正常工作与恶劣工况下的电流耐受能力与电压耐受能力是否在其设计寿命的允许范围内。如果能确保MOSFET在全生命周期内，电流、电压冲击均在器件允许的耐受范围内，则不需要栅极的驱动电阻。

采用更大电压、电流耐受能力的MOSFET器件定然能解决问题；但必然会增加器件的物料成本！在不增加物料成本的情况下，实现栅极电阻取消的关键在于——如何抑制MOSFET的电压与电流应力！在设计上可从以下几个主要方面进行考虑：

在相同的工作电压、电流的使用条件下，选择开关特性更软（开通与关断变化更缓）的MOSFET器件；
选择栅极内阻Rg（器件内集成的栅极电阻）更大的MOSFET器件；
选择栅极Ciss容值更大的MOSFET器件；
适当降低MOSFET的栅极驱动电压幅值；

当MOSFET的开关特性变缓、栅极内阻较大、栅极电容量较大且栅极驱动电压适当降低时，对于MOSFET开通与关断的实际影响——MOSFET的栅极电压上升与下降的速度降低； MOSFET器件在开通与关断过程中的电压、电流应力的降低。电路的简化、器件的减少、故障失效点位的减少，将有利于提升产品的稳定性与可靠性！

增加栅极电阻的数量，提升应用鲁棒性：面对栅极电阻因单独一点的虚焊或开裂所导致的产品功能失效，增加栅极电阻的数量是提升产品应用鲁棒性的有效手段。

以本例中的栅极电阻20Ω为例：

当栅极驱动电阻出现开裂或是虚焊时，其阻抗呈指数级增大，直接导致了MOSFET损坏，产品功能失效；
如栅极电阻采用两颗40Ω电阻并联时，当出现如本例中一颗电阻开裂，其阻抗变为330Ω时；
由于电阻并联设计的采用，MOSFET栅极驱动电阻的实际阻抗为35.6Ω；
虽然栅极电阻的实际值有所增大，对MOSFET的实际损耗与发热有影响，最终对产品的实际使用寿命有一定影响，但电路和产品的基本功能得到了有效保障。

完善电路的回采保护机制：参考功能安全对于重要信号的要求，对于MOSFET的栅极信号增加电压回采与保护功能。

对于可编程类电源控制芯片（如：PWM的输出与控制，采用DSP或是可编程芯片），可增加对于MOSFET的栅极输入信号回采功能；
通过回采的电压信号，确定栅极驱动电压的幅值是否正常；
通过回采的电压信号，确定栅极输入电平的状态与PWM输出的状态是否同步；
通过回采的电压信号，确定桥臂内控制MOSFET开、关的PWM信号死区时间是否正常；
通过回采信号与电路工作的控制逻辑，及时发现电路异常，及时关闭输出并报警，避免器件与PCBA的进一步损坏。

4.2PCB在Layout上的设计思考

本例中出现MOSFET失效根本的原因是栅极电阻开裂；而栅极电阻开裂的根本原因：封装较小，机械强度较弱，对于SMT过程中机械冲击的承受能力较弱。为此在PCB的器件封装选型设计中：

栅极电阻的封装越大，其耐机械冲击的能力越强；
空间条件允许的情况下，加大电阻封装，可有效提升产品的可制造性与可装配性；
在产品的稳定性、可靠性与成本之间，需结合实际的工艺成本、售后维护成本、故障损失成本与产品的物料成本之间，取平衡，作抉择。

越小的封装设计，产品在：SMT加工过程中的工艺管控要求；PCBA测试与组装的工艺管控要求；产品实际应用过程中对环境应力承受能力等方面均是挑战；为提升产品工艺管控能力或产品使用环境应力的耐受能力所付出的隐形成本，极有可能远大于产品本身所增加的物料成本。为此，在满足产品物料成本控制需求的情况下，增大器件封装是提升产品稳定性与可靠性的一种有效手段。

由于半导体电子元件自身的机械强度较弱，对于应变、应力非常敏感，所引申出的一些设计思考：

器件在PCB中的布置位置，对于产品稳定性与可靠性的影响；
PCB的拼板面积、板材厚度，对于产品稳定性与可靠性的影响；
PCB走线与焊盘设计，对于产品稳定性与可靠性的影响；

PCB应力的直观衡量指标——应变。在PCB到PCBA的加工、测试和使用过程中，因为PCBA的固定与安装、ICT与FCT的测试、PCBA不同区域的工作温差、工作环境温度变化与冲击、机械的振动与冲击等，使得PCBA的应变必然存在。如何减小PCB应变所产生的应力对于器件的影响呢？以一长度为100mm的PCBA，两个安装点之间的水平高度差为1mm为例，安装示意如下图8所示：

图8

PCBA在安装后的应变与应力分析如下：

自然状态下，100mm长的PCBA处于完全水平的状态，以器件1作为参考原点；
当PCBA的左右两颗螺钉将PCBA安装到固定座上时，由于左右存在1mm的高差，将导致PCBA产生较自然状态下的形变；
以PCBA长度的中点（器件1的位置）为原点，则PCBA左端将产生较原点高0.5mm的高度差；右端将产生较原点低0.5mm的高度差（实际的应变与应力分析极为复杂，此处仅仅做一个简单说明，将应变与应力的分析抽象、简化）；
以器件1为原点时，左、右两端的应变量（相对于原点的高度差）与PCB在水平方向上距原点的距离成正比；
由胡克定律:△F=K*△x，可推导出应变数据x越大，PCB所产生的应力便会越大的定性分析结论；
应力敏感器件所受应变越大，应力越大，产品的稳定性与可靠性将越差。

基于以上的分析与推导， PCB在Layout的元器件布局设计中，为有效提高产品的稳定性与可靠性，设计应注意：

对于应力越敏感的元器件；越需要在Layout的布局，将其放置在PCB的中间位置；
尽可能保证将元器件的短边，放置在应变发生的方向与路径上，减小元器件所承受的应变跨度；
在满足机械强度与抗振能力的条件下，应尽可能加大PCBA安装螺钉之间的间距。

在产品实际加工的过程中，为提升生产效率，SMT基本都是以拼版的方式进行制造加工。因PCB板的形变量与其板面积成正比，与其板厚成反比；故而相同面积的拼版大小下，其在PCB生产加工、锡膏印刷、SMT贴片、回流焊接、ICT/FCT测试等过程中所受外力的变形、翘曲等的直接决定因素便是PCB的板厚。

虽然各个加工厂家在实际生产过程中，对于PCB所施加的外力不尽相同；但厂家确定，其在各道工艺流程中所施加的外力，基本都在一个确定的范围内。如何选择合适的板厚和拼版面积的关键在于：PCB上的所有元件可接受应变量的大小。故而在PCB的设计中，除了需要考虑其在产品使用中，机械强度所要求的板厚外；还需要考虑在拼版加工时，PCB所要控制的应变量大小，从而确定板厚的要求。

随着电子元器件小型化的发展，芯片引脚的设计焊盘越来越小，对应走线的要求也越来越细；因走线变细，为避免PCB在敷铜加工过程中的滚线风险，铜厚也会随之变薄。PCB在走线变细、铜厚变薄的情况下，其对于应变与应力的耐受能力也随之减弱；走线与焊盘因应力导致的稳定性与可靠性问题，将在产品的大批量生产中突显出来。故而结合以上对于应变、应力的分析，在PCB的Layout走线与焊盘设计时应注意：

空间与电气条件允许的情况下，尽量加大走线宽度；
无法加大线宽的位置，走线方向尽量与应变形成与传播方向垂直，减小走线的应变跨度；
空间与电气条件允许的情况下，焊盘与走线之间通过增加泪滴的方式，提升铜箔的抗应变能力；
内层设计时，尽量避免大面积无铜区，避免因层与层之间形成的高度差，降低其它层走线的抗应变能力；

总结

电子产品设计过程中，因机械冲击与应力等导致的失效，随着电子元器件的小型化发展，在产品生产与使用的整个生命周期中将会越来越突出，如何有效的通过设计来提升产品的稳定性与可靠性，将是硬件设计中的重点关注方向；希望与广大的同行一起就产品设计的稳定性与可靠性话题，进一步的交流、讨论；也许大家可以开一期关于PCB的应力与应变的专题讨论。

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