杨欣阳
（广东电网有限责任公司潮州供电局 广东潮州 521000）
摘要：文章结合现场计量故障的分析结果，总结了引起计量故障的主要失效机理及过程。从物料和工艺管控、可靠性设计、工艺检查及测试验证等方面提出了一些建议措施。
关键词：智能电能表；电能计量；故障；措施
引言
一般来说，电能表计量模块故障的主要故障模式有：采样电路故障、计量芯片失效、电能计量脉冲输出电路故障等。为了找出引起计量故障的原因，许多科技工作者从供电线路，谐波、变压器漏磁、计量芯片计数溢出、功率因素等多方面开展分析研究工作，取得了较为深入地认识和进展，但这些工作主要是在电信号层面进行分析，忽略了实现计量功能的主要实物载体-计量芯片本身失效导致的问题及其引起计量芯片失效背后的机理过程。下文从电能计量模块的电路结构，主要阐述计量芯片可能引起现场故障的薄弱点；其次，结合电能表现场计量故障的一些实际分析案例，提出相应的预防措施。
1 现场应用典型失效机理
1.1 器件自身缺陷诱发失效
1.1.1主要缺陷
计量芯片作为普通的半导体器件，其本身质量问题也不容忽视，主要存在以下缺陷：
（1）芯片晶圆缺陷：包括芯片合金层过厚穿刺，PN结缺陷，氧化层杂质、钠离子污染，金属化通孔、台阶缺陷，以及钝化层针孔、分层缺陷等。这些缺陷可能诱发漏电、参数漂移甚至功能失效。
（2）晶圆划片损伤，如崩边、开裂等；
（3）芯片粘接不良：芯片与其基板粘接空洞、粘接材料爬至芯片表面（“爬肩”）；
（4）键合缺陷：键合损伤（键合“弹坑”）、键合虚焊、键合界面脏污、金铝金属合金出现柯肯达尔空洞现象等；
（5）引线弯曲不当、引线冲丝断裂；
（6）模塑化合物含有杂质或腐蚀性成分；
（7）塑封成型缺陷：塑封料中气泡、界面分层、引线键合丝冲丝，石英砂颗粒刺伤等。
1.1.2典型分析案例
某型号批电能表在现场使用一段时间后出现计量功能故障，为批次性故障。经过拆卸、更换定位为计量芯片失效，进一步定位到失效样品部分端口的反向导通电压变小，存在异常漏电通道。化学方法开封后键合区观察到明显半圆形裂纹损伤，下层介质层在扫描电子显微镜下观察到明显裂纹。因此，判断样品存在芯片键合点处的介质层破裂的工艺缺陷，导致芯片层间漏电，进而诱发器件出现计量功能故障。
1.2 电应力损伤失效
1.2.1 过电应力损伤
过电应力（electrical over stress，EOS）是指元器件承受的电流或电压应力超过其允许的最大范围。EOS来源于对器件引脚施加持续的较大电压或电流应力，时间长短和电流大小决定着施加能量的高低。通常情况下使EOS发生的电应力要持续1 ms以上，但μs量级的电应力也能造成过电现象。EOS造成的损伤主要表现为元器件功能失效或性能退化。
1.2.2电应力来源分析
对于已安装好的电能表，现场导致计量芯片损坏的重要原因是外部异常电应力导致芯片EOS损伤、闩锁等。异常电应力来源通道包括计量电路的供电电源、接口电路以及板面潜在通道，异常电应力包括雷击浪涌、电源电压尖峰以及板面爬电等。
1.2.3典型分析案例
某型号批电能表在现场使用一段时间后出现不计量故障，故障比例约为0.3%。对计量芯片进行端口I/V测试观察到电源引脚对地呈电阻特性，显示电源端口已经被击穿。对失效器件进行开封，观察到芯片电源端口键合区存在明显烧毁，呈现过压击穿特征。通过对同型号批产品进行测试，观察到上电瞬间计量电路电源存在+5.6V~+7.2尖峰（持续时间为几十μs）。而该计量芯片的额定电压为+6.5 V。因此，可以判断电能表在现场应用过程中，持续的短时电压尖峰导致电源端口保护管烧毁。
1.3 生产工艺缺陷诱发失效
1.3.1主要缺陷类型
产品在制造过程中引入缺陷主要包括：焊接过程器件分层、静电损伤以及焊接不良、板面离
子脏污等。
（1）分层效应。存在界面分层的器件内部侵入水汽，焊接过程的高温将会使水汽膨胀加剧内部界面分层，严重的情况甚至会诱发“爆米花”效应，使键合被拉脱、甚至断裂开路。对于轻微的情形只有在长期现场使用阶段才能够表现出异常。
（2）静电放电（electrostatic discharge，ESD）损伤诱发失效。静电放电是指处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移。这种转移的方式有多种，如接触放电、空气放电等。ESD引发的失效可分为突发性失效和潜在性失效两种，突发性失效是指器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失其规定的功能，主要表现为开路、短路或参数严重漂移；潜在性失效是指静电放电能量较低，仅在器件内部造成轻微损伤，电参数仍然合格或略微变化，但其抗过电应力能力已明显削弱，将在使用过程中逐步表现失效。
（3）组装工艺的焊接缺陷及板面离子脏污是导致计量性能漂移甚至功能故障的一个重要原因。这些缺陷一般包括：少锡、冷焊、虚焊、连焊、残留焊锡珠、离子残留等。
1.3.2典型案例分析
某型号电能表在仓库存储约3个月出货复检时，出现计量不合格现象，表现为表计误差偏大、超标现象。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆观察到计量芯片引脚间有丝状灰白色物质存在，通过ESD成分分析检测到引脚间表面存在Na、Cl及Sn等元素组分。这些成分在水汽作用下将会导致引脚间存在微小漏电，从而诱发计量芯片出现计量误差偏移失效。
1.4 布局不当引发失效
1.4.1 主要表现形式
布局不合理的主要形式有：
（1）小型贴片元器件靠近穿线孔、螺钉孔、PCB边缘，容易遭受机械损伤；
（2）体积小的元器件靠近体积较大元器件，导致不容易安装到位或遭损伤；
（3）对温度敏感的元器件过于靠近发热元器件边缘，导致性能不稳定；
（4）布线过长、环绕、过孔密集等。
（5）与产品应用特征不相适应的布局、布线
1.4.2典型案例分析
某型号批电能表使用三年后出现较高比例的不计量故障。经分析发现计量芯片电源输入
端口过电击穿。通过进一步分析计量电源电路发现三端稳压器安放方向为与电能表挂立的方向垂直，其封装库中背面焊盘与引脚的间距偏小。推测三端稳压器引脚间吸附水汽时，容易导致上下引脚间爬电，一旦输入脚（三端稳压器输入+12 V）与输出（输出5 V，为计量芯片供电）脚之间爬电，将导致计量芯片电源端过压击穿。通过进一步试验，验证上述推测结果，也证实了该电路布局设计以及三端稳压器PCB封装存在设计不当的潜在缺陷。
2 预防措施建议
2.1 加强物料及工艺管控
计量芯片是电能表的关键物料，也是潮气敏感和静电敏感器件，应该依据该器件的主要缺陷和主要失效机理制定相应的物料和工艺管控方法。主要包括以下方面：
（1）物料鉴定阶段，应当对计量芯片的塑封材料、键合引线材料、芯片工艺、抗静电等级、潮敏等级进行核实，并进行信息化留样，保留相关核查数据。除了验证器件的相关功能、性能外，还应当对封
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装的工艺水平进行鉴定，一般可以对器件开展破坏性物理分析项目，如XRAY观察、声学扫描显微镜观察、内部目检等，确认器件的批质量一致性。
（2）日常来料检验，应关注包装的气密性、静电防护效果。避免在运输过程的水汽入侵和静电损伤。另外，不同批次间的质量差异水平应当关注器件封装内部不同材料的分层情况。
（3）计量芯片的存储应安装器件规范中规定的条件进行存放，避免在存放过程因潮气、静电损伤。计量芯片的器件防潮包装、装运和使用过程应当遵循 IPC/JEDEC J-STD-033 中的相关规定。
（4）计量芯片在组装焊接前应当进行烘烤，对于已拆包装而未使用完的器件，应当根据暴露时间重新进行烘烤。
（5）组装过程中人员、设备都应当采取适当的防静电措施，避免引入静电损伤。同时建立合适的防静电控制工作机制和程序，定期开展监测、维护和评价，确保防静电措施贯彻到设计、采购、生产工艺、测试、包装、存储和运输等各环节。
2.2 强化可靠性设计
电能表计量功能的稳定性与可靠性水平本质上由其设计决定，因此需要强化其可靠性设计。需要考虑的要素包括以下方面：
（1）前代电能表计量模块存在的主要故障及失效机理（包括研发、生产线、测试、检验、现场使用等各阶段），应该逐一采取相应的措施予以避免；
（2）计量电路中采样电路的防漂移设计，提高计量芯片采样输入信号的稳定性；
（3）计量电路供电电源的稳定性及降额设计，确保电源供电的稳定；
2.3 开展组装工艺质量检查和鉴定国内电能表行业的生产工艺的主要薄弱点在于缺乏有效的规范化的组装工艺质量检查和鉴定方法，导致大量潜在工艺缺陷的产品被检验合格后出货。而这些工艺缺陷是制约产品应用可靠性提升的重要因素。建议可开展的工艺质量检查，项目包括：组装工艺焊点外观（可参考IPC-A-610E）、关键切片观察（IPC-TM-650 2.1.1）、离子清洁度测试（IPC-TM-650 2.3.25c）、绝缘阻抗测试（PC-TM-650 2.6.3）等。
建议可开展组装工艺鉴定，项目包括：高温高湿试验、温度循环试验以及随机振动试验等。
2.4 开展设计可靠性测试与验证试验
设计可靠性测试与验证试验是以失效物理为基础，结合主要失效机理及各类诱发应力，对所设计制造的产品开展高风险点的测试和缺陷暴露试验。
对于计量模块而已，其可靠性风险点在于：不同环境条件的参数漂移、供电电源与计量芯片自身性能的稳定性、PCB板面漏电以及元器件质量缺陷等。本文提出一种计量电路设计可靠性验证试验方法，目的在于在电能表的设计开发阶段，快速暴露计量电路的设计缺陷，为设计改进提供参考。
3结束语
综上所述，本文结合一些故障分析案例，从器件质量缺陷、电损伤、生产工艺缺陷、电路布局不当等方面对引起电能计量故障的失效机理进行了总结；从关键物料、工艺管控、可靠性设计、工艺质量检查与工艺鉴定、设计验证试验以及验收标准方面提出了相应的预防措施建议。
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论文作者:杨欣阳
论文发表刊物:《河南电力》2018年15期
论文发表时间:2019/1/17
标签：芯片论文; 缺陷论文; 损伤论文; 应力论文; 故障论文; 器件论文; 工艺论文; 《河南电力》2018年15期论文;