摘 要：以某整机在调试过程中发生的一只CMOS驱动门电路的闩锁失效为例，具体分析了测试仪器感应漏电引起CMOS电路闩锁的现象、机理和原因，具有一定的典型性。1引言 有数据表明，电子元器件的失效有50％以上都是由于使用不当引起的。这其中，元器件在上板调试过程中的失效占了绝大部分。有时候整机或单板上的元器件本来是正常的，而设计师或调试人员为了取得某些测试点的参数，用测试仪器的探头触碰这些测试点后，整机或单板上的有些元器件反而出现失效。这种现象有时令人十分困惑，因为它决不是测试人员操作失误引起的。器件失效的莫明其妙，难以防范，给元器件上机后的调试测试工作带来很大的麻烦。 本文以某整机在调试过程中发生的一只CMOS器件闩锁失效为例，分析测试设备感应漏电引起器件失效的原因和机理，以期对有关技术人员在鉴别、分析和防止这类失效方面有所启发和帮助。2一种奇异的故障现象 某整机出厂后，在用户处发现有数据乱码故障，经调试人员仔细检查分析，发现是CPU板上的CMOS驱动门电路HCT240输出波形异常引起的。该驱动器在正常情况下输出高电平为4.5V左右，上升沿约10ns，而出现故障时驱动器的输出高电平约为3.5V～4.0V，上升沿20ns～30ns。更换器件后，故障现象消失，因此,断定机器故障现象是该HCT240失效造成。 对失效HCT240进行电测试分析，发现该器件功能丧失，VDD端不通。解剖后发现VDD端压焊丝烧毁熔断，芯片表面正常。将熔断的键合丝重新压焊后，电路功能恢复正常。 HCT240的电源压焊丝已经烧毁熔断，但在机器上仍能正常工作，只是高电平较低，上升沿和负载能力变差，这确是一种奇异的故障现象。对这种现象稍加分析就会发现，这是由于CMOS电路具有的特殊结构（输入端保护网络）为芯片上的VDD电源提供了另一条通路所致，下面对此类现象进行分析。 HCT240输入端的保护网络是一种最常见的结构形式，如图1所示。当器件VDD压焊丝烧毁断开时，如果电路前级为输入端I输入了高电平，该高电平就会通过保护网络的D1进入电源VDD，担负电源的供电任务，只不过由于输入高电平的负载能力较低，又要经过二极管D1的降压，因此虽然电路功能得以恢复，但输出高电平和负载能力都很差，在使用条件较苛刻的情况下，会引起机器出现故障。 电源压焊丝烧毁的HCT240在整机板上仍能正常工作的必要条件有两个：第一，器件闩锁后仅仅烧毁了压焊丝，芯片是正常的；第二，所有8个输入端在任何时候必须至少有一端为高电平。实际上这两个条件中第一个条件与器件的设计和生产工艺有关，当器件生产出来后，器件的这一特点就确定了。第二个条件与器件的使用情况有关，对于输入端较多的器件，这一条件也是很容易满足的。上例中失效的HCT240在使用过程中，输入端2、4、6在任何时间总有一端为高，因此虽然VDD压焊丝烧毁了，电路功能仍然基本正常。 图1HCT240输入端的保护网络 图2HCT240闩锁模拟试验线路这种失效是较为隐蔽的，器件上机后不易察觉。调试人员经过波形普查、电源拉偏等措施有可能发现，但如果调试人员经验不足，试验不充分，就有可能使带有失效器件的板或整机流入下道工序。上例中的失效HCT240在单板和整机调试中均未发现，而上系统联调时在使用现场才发现失效，这时距整机出厂已将近三年，造成了极大的危害。 与以上分析相仿，由于D2的作用，使得地线压焊丝烧毁的HCT240也可能正常工作，当然必要条件是所有8个输入端在任何时候必须至少有一端为低电平。甚至当HCT240电源和地端压焊丝双双烧毁，只要输入端电平有高有低，器件就仍能正常工作。3HCT240的失效原因分析及失效现象模拟 根据HCT240的失效特征分析，该器件失效是由于电路发生了闩锁。但器件闩锁阈值究竟为多少？器件闩锁后是否只烧毁电源端压焊丝而不损伤芯片，这是需要用模拟试验来回答的。测定HCT240闩锁阈值（主要是输入或输出端触发电流）和闩锁模拟试验的线路如图2所示，即电源端接V1，所有非试验输入端及地端均连在一起通过一电流表A2接地，试验端（输入端或输出端）通过一电流表A1和一小电阻器R接试验电压V2。试验中测试了与失效HCT240同一批次的3只电路，试验结果如下：(1)当试验电压V2为7V和10V时，电路不会闩锁； (2)当试验电压V2为15V左右时，电路的输出端（如3端和12端）可以被触发闩锁、触发电流为70mA、80mA、100mA，而电源的维持电流在500mA以上，并很快上升使电路烧毁。 受试的3只电路经电测试和解剖分析，发现其地端的键合引线均全部熔断，电源端的键合引线也有不同程度的过流痕迹，而芯片表面良好，无击穿和烧毁现象，证明器件闩锁后只烧毁了电源端（或地端）的压焊丝而没有损伤芯片。 HCT240闩锁后烧毁电源（或地）端压焊丝而不损伤芯片，原因是器件内部有比较多的闩锁通道，能够分散闩锁电流，同时芯片上VDD、GND金属化铝线较宽，能通过较大的闩锁电流，因此相比较而言，电源和地端的硅铝压焊丝成了较为薄弱的环节。4引起HCT240闩锁的原因根据器件的失效情况及闩锁模拟试验情况分析，HCT240失效就是因为闩锁而烧毁VDD端的硅铝压焊丝。但该器件在电装上机后，是何原因引起它闩锁的？这成了故障分析过程中一个最大的难题。后经调试人员认真回忆和查阅原始记录，会同有关专家讨论分析，最后确定是由于调试时所使用的一台频率计HP5316A电源接地线未接，使机壳和探头产生感应漏电所致。 图3用频率计测试HCT240输出波形频率的示意图为便于说明频率计产生感应漏电引起HCT240闩锁的原因，这里将当时测试的线路图示于图3。如图3所示，由于稳压电源交流电源线上的接地端L与稳压电源外壳J相通，同时稳压电源使用过程中电源负端I与外壳J用短路片连接，故HCT240的接地端（10端）与稳压电源L点是连通的。频率计交流电源线使用了两个插脚的插头，因此接地点B是悬空的，而由于频率计的B、D（外壳）、F（测试输入端同轴电缆插座外极）是相通的，所以F点也是悬空的。用万用表实测证明，F点和E点对电源插座地线（也就是L点、J点、I点及54HCT240的第10端）有60V～70V交流电压，正是此交流电压（下面将会分析到，这个交流电压实际上是一种感应漏电）通过频率计探头接入HCT240的第3端（输出端）引起电路发生闩锁而失效。实际模拟证明，用频率计F端和E端去碰接HCT240第3端时均会使电路发生闩锁烧毁，失效部位及特征与机器上失效器件及本文第2节中模拟试验失效器件是相同的。5频率计产生感应漏电的原因 图3中，在B端未接地的情况下，频率计的E、F端为何会出现60V～70V的交流电压？经对频率计仔细测试分析，发现此电压主要来自电源变压器的外壳。变压器的初级线圈上只要通入220V交流电压，变压器外壳对地就会出现60V～70V感应交流电压。此交流电压负载能力很差，甚至用不同型号的万用表测试会得出不同的数值，但由于电压值较高，仍可以触发HCT240闩锁失效。由于变压器外壳是固定在频率计机箱上的，正常情况下通过电源插头的接地端B接到了地线上，因此，E、F端就没有交流感应电压产生，而当电源线接地端悬空时，E、F端的交流感应电压就出现了。 根据上面的试验和分析，可以发现要使频率计产生感应电压引起HCT240闩锁，需要以下几个条件同时得到满足： (1)频率计使用了两个插脚的电源插头（实际就是接地线浮空），而为HCT240供电的稳压电源使用了有3个插脚的插头（接地正常）。 (2)稳压电源的H端、J端是连在一起的。 (3)HCT240是已经加上电的。 (4)频率计外壳未接地（即D点未接地）。 (5)在频率计F端未与地端连接的情况下，先连接了频率计E端与HCT240的输出端（第3端）。 这里需要说明的一点是,由于频率计的电源开关位于电源变压器的次级回路中，因此只要插上频率计的交流电源线插头，即便前面板电源开关未打开，频率计探头和外壳照样会产生感应电压引起HCT240的闩锁烧毁。 用频率计测试HCT240要同时满足上述5个条件，看起来不容易，实际操作中并不鲜见，同时由于频率计电源开关未打开就可能在探头上产生感应电压的隐蔽性，使得这种失效频频发生，而且难以捉摸，因此造成了极大的危害。6小结(1)由于CMOS电路输入保护网络给芯片电源提供了一条潜在通路，使得电源（或地线）压焊丝烧毁的器件仍可能正常工作，只不过电路输出的高（低）电平会降低（升高），波形边沿和负载能力会变差。(2)对单板和整机调试测试时，如果测试仪器(如频率计、示波器、数字多用表等)未接地或接地不好，就有可能使仪器探头产生感应漏电而使所测的CMOS电路发生闩锁失效，特别是在部分仪器接地良好、部分仪器未接地的情况下最易发生。因此，在此再次总结一下测试调试已上机带电器件的两个基本原则：——所有测试仪器都应良好接地并与所测器件共地；——测试仪器的地端应先与被测器件的地端连接，然后再将测试探头与被测器件的测试端连接（注意：此原则在测试仪器的电源开关未打开之前就应遵循）。
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