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简介：孔成林（1989.09），男，汉，河南省郑州，中级工程师，格力电器（郑州）有限公司，电子领域失效分析可靠性研究。

摘要：本文通过对SHT30型号温湿度使用过程的短路失效研究，过程排查验证，失效机理研究，结合温湿度传感器参数特性，对影响其质量可靠性的因素进行全面分析。最终锁定温湿度传感器短路失效原因为电解电容残留电压击穿短路，并给出相应的整改对策。通过此项问题的研究，对全面、系统化提升产品生产过程质量可靠性起到了重要作用。

关键词：温湿度传感器；短路；电解电容；残留电压

一 、引言

近年来，随着无线传感器技术的发展和进步，无线传感器网络被越来越多的应用到环境监测领域，传感器节点是构成无线传感网络的关键部分。温湿度传感器作为传感器一种，其工作原理是把空气中的温湿度通过特定检测装置测量到温湿度后，按一定的规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，用以满足用户需求。

2022年，行业某产品在使用SHT型号温湿度传感器时，测试岗位陆续反馈多单故障，通过现场跟进及分析，锁定故障原因为所使用温湿度传感器短路失效导致，根据温湿度传感器参数特性，初步分析为温湿度传感器受到外界电压或者电流击穿导致，故对其失效模式及机理进行分析研究。

二、温湿度传感器工作原理及失效分析

1、SHT30温湿度传感器工作原理

SHT30是瑞士Sensirion公司基于CMOSens芯片技术推出的一系列温湿度一体化传感器之一，将CMOS芯片技术与传感器技术相结合，其应用在一定程度上方便了嵌入式系统的环境温湿度测量，具有体积小、实时性较强、灵敏度好、可自校准、能够稳定检测温湿度并做到快速响应等优点【1】，其工作原理是把空气中的温湿度通过特定检测装置测量到温湿度后，按一定的规律变换成电信号输出。

2、失效分析

失效模式

温湿度传感器共8个引脚，其中PIN1—PIN7对PIN8（GND）具有二极管特性，失效温湿度传感器PIN4（时钟脚）、PIN5（电源脚）对地短路，失去二极管特性，如图2（左）对比正常品使用X光观察，失效温湿度传感器内部金线正常，无交叉短路、金线塌丝等，晶圆无银浆爬高、焊料残留异常，如图2（右），排除内部结构异常，分析为晶圆本身失效，需进一步进行化学开封分析。

微观分析

针对多个故障件去除封装树脂后和正常品对比观察，发现晶圆表面疑似存在电损伤痕迹，如图3所示，分析温湿度传感器在某个环节受到电磁脉冲损伤，电磁脉冲引起的瞬态过电压或电涌效应对电子电路还会造成硬损伤， 主要表现为半导体器件的短路， 开路， PN 结击穿， 氧化层击穿等【2】。因此需要从温湿度传感器来料、使用过程、测试过程进行全方面排查静电（ESD）/过电（EOS）来源。

三、过程排查验证

1、失效工序

该产品为双面锡膏板，U1（温湿度传感器）先进行B面贴装并回流焊接，之后A面贴片元件并再次回流焊接，通过在各工序间增加额外的测试环节验证，排除传感器来料短路以及B面AOI之前各生产环节导致失效的可能，锁定失效环节在A面印刷——A面AOI之间，具体生产流程如下：

2、静电（ESD）/过电（EOS）排查

静电（ESD）

根据工序排布，在A面印刷至AOI检验之间从静电、过电两个方面进行排查。针对涉及到的物料、设备、人员等各方面进行防静电测试，各个环节静电电压均小于50V（要求＜249V），排除生产过程静电导致温湿度传感器失效的可能。

过电（EOS）

对失效环节各工序进行设备接地可靠性排查，各设备接地情况良好，过程无漏电、异常放电隐患。器件筛选采用2V源电压，无异常放电导致温湿度传感器失效的隐患。功能测试电压波形稳定，无尖端电压产生（如图4），且功能测试工序不在失效工序内，排除功能测试过程过电击穿的隐患；

3、储电器件排查

该显示板涉及使用10颗贴片电解电容为储电器件，通过对电容残留电压测试，发现部分电容残留电压超过温湿度传感器承受电压，贴片电解电容在温湿度传感器之后贴装，其中4颗1202编码电解电容（25V，100uf）和温湿度传感器在同一电路中，存在残留电压过大导致温湿度传感器击穿的隐患。

4、模拟验证

针对电解电容存在残留电压情况，安排进行放电后使用，持续跟进生产测试无下线异常。采用该电解电容充电后对温湿度传感器进行放电验证，复现了温湿度传感器PIN4、PIN5对地出现阻值偏小、短路故障现象。

四、失效机理

在该产品上，储电电解电容共计使用6处，4颗电容为5V电路的滤波电容，2颗电解电容为12V电路的滤波电容。温湿度传感器不涉及12V电路连接，分析引起传感器过电失效的为5V电路内电解电容。电解电容正极连接温湿度传感器PIN5（Vdd），PIN6（复位脚）和PIN5在主板电路上短接，电解电容负极和温湿度传感器PIN8（GND）共地，即4颗电解电容正负极和温湿度传感器形成电流回路（如图5），电解电容贴装时残留电压对温湿度传感器第5脚放电导致击穿短路。

五、结论及对策

通过对温湿度传感器失效分析，锁定失效原因为贴片电解电容存在残留电压，在贴装过程对温湿度传感器产生电磁脉冲，导致温湿度传感器击穿短路。整改方向如下：

1、电容厂商在生产及出货过程增加对于残留电压的检测，防止客户端使用过程残留电压对其它元器件的损伤；

2、通过研发新型材料或技术，提升温湿度传感器耐电压能力；

3、研究EOS（过电）失效的重要任务之一就是确定 ESD 放电路径【3】，可以从PCB设计放电路径方面进行优化，提升使用可靠性。

[1] 徐业，尹煜，叶飞，叶雷，石璇，宋瑞刚. 城市轨道交通列车车厢温湿度检测调控系统[J]. 轻工科技 ， 2020年10期

[2] 吴淑忠， 张振新. EMP对电子电路的影响及其防护[J]. 电子质量， 2008年08期

[3] 邱亮，张之圣. ESD的物理失效分析及放电路径的研究[J]. 电子测量技术，2007年03期