ZHCAA03 December 2019 MSP430AFE221 , MSP430AFE222 , MSP430AFE223 , MSP430AFE231 , MSP430AFE232 , MSP430AFE233 , MSP430AFE251 , MSP430AFE252 , MSP430AFE253 , MSP430BT5190 , MSP430F1101 , MSP430F1101A , MSP430F1111A , MSP430F112 , MSP430F1121 , MSP430F1121A , MSP430F1122 , MSP430F1132 , MSP430F122 , MSP430F1222 , MSP430F123 , MSP430F1232 , MSP430F133 , MSP430F135 , MSP430F147 , MSP430F1471 , MSP430F148 , MSP430F1481 , MSP430F149 , MSP430F1491 , MSP430F155 , MSP430F156 , MSP430F157 , MSP430F1610 , MSP430F1611 , MSP430F1612 , MSP430F167 , MSP430F168 , MSP430F169 , MSP430F2001 , MSP430F2002 , MSP430F2003 , MSP430F2011 , MSP430F2012 , MSP430F2013 , MSP430F2013-EP , MSP430F2101 , MSP430F2111 , MSP430F2112 , MSP430F2121 , MSP430F2122 , MSP430F2131 , MSP430F2132 , MSP430F2132-EP , MSP430F2232 , MSP430F2234 , MSP430F2252 , MSP430F2252-Q1 , MSP430F2254 , MSP430F2272 , MSP430F2272-Q1 , MSP430F2274 , MSP430F2274-EP , MSP430F233 , MSP430F2330 , MSP430F235 , MSP430F2350 , MSP430F2370 , MSP430F2410 , 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4.2 系统级 ESD 失效分析案例
本案例介绍了一个仪表应用的线路故障。当安装电池后启动仪表，发生故障的仪表就会显示“电池电量不足”指示的问题。如果对故障仪表断电并重新上电，故障就会消失。这意味着故障仪表没有发生物理性损伤。因此，该故障现象是一种典型的软故障。
对故障仪表进行电路板级分析发现，核心 MCU 通过 VCC 形成额外的电流 20mA，这个额外电流在正常情况下是没有的。一般情况下，额外电流会由以下两个原因引起：I/O 驱动了高电流，或 MCU 上触发了闩锁。在调试过程中，在故障仪表上隔离 I/O，在 MCU 上仍能检测到 20mA 额外电流。因此，MCU 可能发生了闩锁，需要进一步分析。
查看仪表原理图，仪表系统采用由电池直接供电，如Figure 8 所示。在 MCU 上不太会发生异常电压而产生额外电流。系统级 ESD 事件可能触发闩锁并导致 MCU 产生 20mA 额外电流。继而对 MCU 进行失效分析，以确定哪个或哪些引脚流过额外的电流。热点分析是分析此类故障的恰当方法。
Figure 8. 仪表电源结构原理图 首先需要设计特殊的电池固定装置，持续为故障电表供电。避免由于仪表断电而导致故障恢复。另外需要制备分析样片，在持续供电的MCU元件中露出芯片部分，如Figure 9 所示。在每个分析步骤中，通过测试 MCU 的额外电流，以监控故障现象是否仍然存在或恢复。通过测量故障仪表特定位置的电压，可以监测 MCU 额外电流异常。Figure 10 显示了连接在仪表电路板和电源之间的测试板。
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| (a) 用防酸胶带包裹的 MCU | (b) 芯片的封装蚀刻窗口 |
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Figure 9. 样片制备照片
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| (a) 通过测试板监控仪表供电 | (b) 仪表供电电压监视器 |
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Figure 10. 热点分析对仪表持续供电监测系统照片
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对六个故障仪表进行了热点分析，其中采用仪表 1 来进行样片制备和处理试验，确保后续故障仪表分析过程中样片制备和故障监测的有效性。在后续五个故障仪表（仪表 2 到仪表 6）成功完成了热点分析。Figure 11 显示了典型的热点图像。在故障仪表的 MCU LCD 引脚上观察到了异常热点（请参见Table 3）。
Table 3. 故障仪表 MCU 上的热点引脚
| 故障仪表 | 热点 LCD 引脚 |
|---|---|
| 2 | 引脚 29 和引脚 32 |
| 3 | 引脚 28 |
| 4 | 引脚 30 |
| 5 | 引脚 27 |
| 6 | 引脚 28 |
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| (a) 仪表 2 的图像 | (b) 仪表 6 的图像 |
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Figure 11. MCU 芯片热点图像
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据此进一步检查仪表电路板，系统级 ESD 冲击可能从仪表探测端口导入，从而导致 MCU 发生闩锁，如Figure 12 所示。在仪表电路板上有一个大的金属支架，如Figure 12 (a) 所示。支架夹住电路板用来固定，并未与电路板进行焊接，可能存在接地不良的情况。并且发现 LCD 面板和支架之间的公差也小于建议值，如Figure 12 (b) 所示。因此，电路板上的 ESD 保护器件可能让 ESD 冲击从仪表探测端口导入并经过金属框架传导，然后传导到 LCD 面板，最后触发 MCU 闩锁，并导致线路上出现“电池电量不足”的仪表故障。
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| (a) 显示 ESD 冲击从仪表探测端口导入并经过金属框架传导 | (b) 显示仪表电路板上的金属支架与 MCU 的 LCD 驱动器引脚之间连接 |
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Figure 12. 系统级 ESD 冲击导入并传导
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基于以上分析故障场景，提出了以下解决方案：
- 用电路板上的二极管钳位保护器替换了板上的 ESD 保护器件。
- 改进了电路板上 LCD 支架的接地。
- 提高了支架与电路板上 LCD 面板之间的公差。
本案例叙述了通过热点分析技术来找出问题的方法。该分析还支持针对系统级 ESD 构建更稳健的系统，用于系统级 ESD 故障排除和问题解决。