【失效分析】飲水機水泵死機

背景：客戶反饋其生產的一款飲水機中的水泵使用一段時間后功能失效，不良率約為4%。失效現象不穩定，經客戶排查，為主板功能失效。故委托實驗室進行失效分析，找到失效原因。

分析結果： 

1．通過電測、電容重焊以及高溫高濕實驗，發現不良與主板表面離子遷移有關。

2．表面成分測試發現不良主板表面僅殘留助焊劑，未發現異常元素。

3．該水泵所使用的錫膏未通過絕緣阻抗測試，錫膏助焊劑殘留物造成離子遷移發生。

失效癥狀：水泵死機

失效形式：離子遷移

失效機理：水泵使用的錫膏未通過絕緣阻抗測試。產品在使用過程中，處于長期通電（5V）狀態，易發生離子遷移。當轉子被卡住時電流達90mA，更加惡化

改善建議：清洗主板，降低表面離子殘留；更換抗絕緣劣化性能更好的錫膏

1. 問題描述 

客戶反饋其生產的一款飲水機中的水泵使用一段時間后功能失效，不良率約為4%。部分不良品放一段時間（空氣中常溫環境下）或加熱、敲打、去除塑封再測試，產品功能均可恢復正常。經客戶排查，為主板功能失效，部分功能無法恢復的不良品，其R9，C1或R9，C2，或R7或R10兩端阻值變小，故需重點分析。

2. 不良現象確認

（1）將樣品接入5V直流電，不良品1#無反應撥動轉子亦無法運轉，不良品2#、3#需要撥動才能運轉且不穩定，良品可穩定轉動。

（2）萬用表量測不良品1#的R9和C2兩端阻值，為5.1Ω。理論值為5kΩ。

（3）板面有較多助焊劑殘留。

3. 測試結果  

3.1電性量測與失效組件排查

將不良品1#通電，利用OPTO Thermal紅外熱成像顯微鏡觀察整板的發熱狀況，并對元器件進行熱點偵測，確認失效位置。

1） 將未轉動的不良品1#接入5V電源進行熱點偵測，發現頂部一排的晶體管未工作。C2和R9處于短路狀態。

2） 將電容C2用熱風槍取下，量測電容阻值，無短路現象。將取下的電容重新焊在不良品的PCB板上。用萬用表測量C2和R9兩端阻值，短路現象消失，阻值約為4.68kΩ。將水泵接入5V電源，水泵可運轉，電流約為29mA。水泵負載電流規格為35±6mA。

綜合客戶所述不良現象及實驗結果，不良符合離子遷移枝晶形成初期導致不穩定短路的特征，所以推測樣品不良與主板表面的離子遷移有關。

3.2模擬實驗

l   電容重焊后恢復正常樣品（1#）

將恢復正常的樣品1#懸掛在高溫高濕環境下：

（1）   接入5V電源，持續通電約72h，未發現異常。

（2）人為使轉子卡住，模擬樣品未工作時的大電流狀態。約42h后，撥動轉子，樣品無法運轉，量測C2和R9兩端阻值，再次短路。顯微鏡下查看，在R9附近發現離子遷移形成的枝晶。

3.3 表面成分測試

對1#不良品PCB表面進行成分測試，發現板面有助焊劑殘留（C、O、Sn），未發現異常元素（Ti來自黑色塑封膠，Si、S元素來自于綠色阻焊）。

3.4 驗證實驗

l   錫膏絕緣阻抗測試

將產品所使用的錫膏進行絕緣阻抗測試，驗證錫膏殘留物在高溫高濕環境的抵抗絕緣劣化性能。

在中溫高濕（40℃，93%濕度）環境下，施加于標準片正負極間固定電壓（100V），量測標準片正負極間在不同時間點的電阻值（共168h），從而判定錫膏的絕緣劣化傾向性能。電阻＜108Ω為失效。以下為絕緣阻抗測試曲線：

實驗結果顯示該錫膏未通過絕緣阻抗測試（參照JIS Z 3197:2012），在測試板發現有離子遷移造成的枝晶存在，已經短路。

4. 結論與建議：

4.1結論：

1．通過電測、電容重焊以及高溫高濕實驗，發現不良與主板表面離子遷移有關。

2．表面成分測試發現不良主板表面僅殘留助焊劑，未發現異常元素。

3．該水泵所使用的錫膏未通過絕緣阻抗測試。錫膏助焊劑殘留物造成離子遷移發生。

該水泵使用的錫膏未通過絕緣阻抗測試。產品在使用過程中，處于長期通電（5V）狀態，易發生離子遷移。當轉子被卡住時電流達90mA，更加惡化。

4.2建議：

1．清洗主板，降低表面離子殘留。

2．更換抗絕緣劣化性能更好的錫膏，需符合相關國際標準。