手操器主芯片功能紊乱失效研究

作者：陈明轩，杨守武，张秀凤，万家刘

0 前言

在我们使用主芯片的过程中，往往测试会出现各种异常，主要为过电损伤、金线绑定异常、厂家筛选程序异常以及设计程序不完善等问题。过电损伤、金线绑定问题比较容易分析，厂家筛选程序漏洞通过反查也比较容易识别及整改，设计程序不完善问题相对比较难分析，特别是不容易复现的故障，往往就与程序设计有关，本文主要讲述程序运算设计不完善导致的功能紊乱的分析过程、分析思路及整改。

1 背景

2019 年，控制器厂在生产手操器时，测试出现13单功能紊乱异常，按模式键实际显示是其它键的功能，分析未发现装配异常，主芯片未发现损伤，金线绑定无异常，化学开封未发现过电现象，分析与软件有关，需要深入分析研究。

2 主芯片按键功能触发检测AD值的检测逻辑

主芯片的功能就是通过检测，发出指令。

主芯片检测AD 值V 检－ V 基＞ V 阀，即可触发按键指令。当V 检值＞ 65 535 时，会持续触发按键指令。此主芯片采集的AD 值计算方式以40 次累计值进行计算。

3 主芯片AD值检测影响因素

① AD 值检测结果= 外部环境电容因素+ 设计硬件电容因素+ 主芯片本身电容因素+ 手指触摸电容因素。

②失效模式确认：实际测量故障件的V 实检值为69 000，大于V 检65 535，故此次手操器按键功能错乱的失效模式为主芯片检测AD 值偏大，按键持续触发导致在某一个按键中持续响应，此时其他按键均响应失效的按键。

4 验证数据分析

①主芯片内部参数影响

随机抽取16 个样件验证主芯片AD 值对比差异，主芯片内部影响因素的AD 值差异的最大值为14 200，样件中最大值与最小值进行互换主芯片，经过确认主芯片检测的AD 值跟随主芯片走，说明主芯片内部AD 值存在较大差异性。此点经过技术交流后，没有确定的参考范围。具体实验数据如表1。

小结：互换后主芯片采样值跟随主芯片走。

②外部环境因素影响：

各抽取16 件样件进行验证分析，其中记号笔油墨对主芯片检测的AD 值影响范围为200~600，标签不干胶+ 记号笔油墨对主芯片检测的AD 值影响范围为1 000~1 400，老化后对主芯片检测的AD 值影响范围为0~600，外部环境影响AD 值检测差异在2 000 以内。

表1 手操器按键AD值采样数据

③其他方面验证数据：

家用抽机抽取样件20 件（无记号笔油墨和标签），主芯片检测AD 最大值为58 000，最小值＜ 48 000（安全值），说明家用生产的制品同样存在主芯片内部参数的影响。手指触摸对主芯片采集AD 值的影响同步安排10 人进行验证，检测AD 值范围为4 000±500。对商用生产同批次样件进行清记号笔油墨和不干胶，清洗后主芯片采集的AD 值下降12 000，表面残留的记号笔油墨和不干胶的混合成分对主芯片采样的AD 值也有较大影响。验证由记号笔油墨涂抹＋标签下涂抹金属粉的状态下，主芯片采集的AD 值上升2 000，说明表面的混合成分存在一定的影响。

5 外界环境影响因素检测分析

①记号笔油墨成分含有金属成分，其中铁含量5%，其他可以忽略不计；

②标签不干胶的导电离子含量为0；

③生产线使用的EVA 托盘碳元素含量为0；

④故障件油墨使用EDX 扫描结果未含金属成分。

6 原因锁定

此次异常的失效机理主要由主芯片内部参数差异的主要原因和外部环境影响的次要原因组成的综合因素导致（如图1）。

图1 主芯片检测AD值影响范围模拟图

①软件方面原因：算法是基于10 位AD 的，AD 采样值累加40 次的变量是16 位的，而芯片内部AD 是12位AD，当AD 采样值偏大，累加40 次会造成溢出。

②外部环境原因：生产过程使用记号油性笔中含有金属离子影响电容型触摸按键线路寄生电容。

7 制定整改方案

①需要在触摸算法软件上予以解决。此芯片的内部电容的典型值为25 pF；但是，由于制造公差的缘故，该典型值可能有最多20% 的变化，考虑到Cbase 的公差可能有最多20% 的变化，即总公差可能有最多40%的变化。累加值和阀值除以2（相当于11 位AD），完全可以解决电容值公差±40% 的情况，所以在软件上修改累加值和阀值除以2 即可。

②规范控制器生产过程标签粘贴、划线的通知，对于油性笔、油漆笔、水性笔等辅助划线工具严禁在产品线路、器件上随意涂画，尤其是触摸采样线路、运放采用线路、晶振线路、高频线路严禁划线；对于编码标签、防错标签、型号标签、订单标签、PASS、外观标签等严格按照工艺文件要求执行，贴在主板空白处。

8 整改效果跟踪

通过程序上算法的优化可以彻底解决采样的AD 值偏大的问题，解决外部因素以及主芯片本身的制作差异，同时规范厂内生产过程标签粘贴和划线完全解决外部因素的影响，以上可以解决本次发生的质量问题，整改后未再出现此类问题，整改有效。

9 结语

芯片异常一般为ESD、EOS 导致较多，这种问题往往会将芯片的I/O 口或VCC 击穿，造成测试阻抗小、PN 结值小，当测试未发现值小时，就要考虑到各方面的因素，以及是否存在程序运算问题，此类的问题需要考虑各种外部因素的影响（包括温度等影响），综合分析，才能找到问题根源进行解决。
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