摘要：文章主要針對電動汽車出現的電動助力轉向系統（EPS）失效故障，進行了電子故障失效原因的排查。通過對電子控制單元（ECU）電路板各元器件進行芯片測試、功能確認、交換試驗和開發驗證等一系列測試驗證后，最終確定造成轉向助力失效的原因為芯片內部電應力失效。通過此次故障的分析，總結出了一套芯片故障導致電動助力轉向的失效排查流程，以及遇到此類問題的分析方法。文中所展示的芯片故障測試方案及參數的選擇，為此類故障提供了可靠的驗證方案參考，同時針對導致芯片電應力失效的靜電管控測試提供了參考標準。
由于電動汽車沒有內燃機，其動力轉向系統的動力來源只能是電動機，因此，電動助力轉向（Electric Power Steering, EPS）系統成為電動汽車的首選。EPS能夠根據駕駛者的需求實時調整助力，確保駕駛體驗的穩定性和舒適性，同時降低了能耗?。EPS的工作原理依賴于一系列組件的協同工作，其核心組成部分包括?轉矩傳感器、?電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）、?電動機和?減速機構。當駕駛員轉動方向盤時，轉矩傳感器會即時感應并生成相應的電信號，這些信號隨后被傳輸至ECU。ECU根據車速傳感器和轉矩傳感器提供的數據，精準地控制電動機的旋轉方向和助力電流的大小。通過減速機構，電動機的力矩被有效地傳遞到小齒輪上，從而實現助力轉向的功能[1-2]。
電動助力轉向失效模式主要有機械故障、軟件故障、ECU電子故障等，可查詢的相關文獻很少有關EPS電子故障失效的分析，與ECU及控制芯片相關的故障未找到EPS相關聯的分析。本文從市場上比較難排查的電子故障失效模式展開分析，經過嚴謹的邏輯分析聚焦到ECU及芯片故障[3]。
電動助力轉向故障現象初步排查確認：車輛表現轉動方向盤無助力，儀表亮方向機故障燈，測量整車電路無異常，無EPS故障碼，控制器局域網（Controller Area Network, CAN）總網連接不上EPS，初步判斷為EPS電子故障。
首先需要確認是否為電子故障，對拆下來的故障件首先進行追溯信息查詢確認，然后對EPS電流檢測，判斷是否為電子故障。
1.追溯信息查詢
1）追溯追查問題件EPS，確認該EPS生產中有無異常且所有測試是否能正常通過。
2）把問題件放回產線進行復測，看問題件EPS是否能夠被產線識別并進行攔截。
2.驗證結論反饋：
1）問題件EPS生產過程中無異常。
2）產線能識別問題件EPS，能夠進行攔截。
3.確認EPS通訊情況
通過EPS是否有報文反饋，判斷是否能正常通訊，從而判斷是否為硬件故障；通過對故障EPS通電進行通訊電流檢測，結果顯示EPS無消耗電流，確認無通訊，沒有報文無反饋，判斷為ECU硬件故障，接下來對ECU電路板進行排查。
各元器件在電路板（Conductor-Carrying Asse-mbly, CCA）上的布局如圖1所示，CCA上共有三個芯片，其功能如下：
U506：電源管理芯片，負責接收整車電源，給其他各個芯片分配輸出電源；
U401：總控芯片，接收所有信號，處理后給功能芯片發出信號，控制其工作；
U751：驅動芯片，控制金屬氧化物半導體（Metal Oxide Semiconductor, MOS）的開閉，進而操控馬達的運轉。
對CCA上各元器件進行外觀確認，對芯片功能進行檢測從而確認故障點。
圖1 元器件在CCA布局
外觀排查主要是觀察故障件是否有斷線、電子元器件掉落，外觀放大鏡目視確認有無進水、缺少件和元器件物理損壞。驗證結論：CCA外觀正常。
根據CCA線路布局，U401為總控制芯片，優先排查U401工作電源狀態，若電源狀態異常向上排查，若電源狀態正常向U401其他通訊PIN腳排查。
1.U401總控芯片排查
U401芯片排查主要測試芯片外部供電電壓和內部供電電壓工作狀態，VCC代表芯片供電電壓，VDD代表芯片內部供電電壓，對應的PIN腳測試點為TP139和TP140。排查U401工作電源狀態，主要是檢查VCC測試點TP139與VDD測試點TP140是否異常，結果顯示實測值為0，確認U401芯片未輸入電源（當前解釋無通訊故障現象原因），導致U401芯片不工作，接下來向上排查是否是U506電源管理芯片故障。
2.U506電源管理芯片排查
U506電源管理芯片排查步驟按輸入電源、內部調節電源、輸出電源依次進行測試。輸入電壓12 V，測試對應的引腳是否有電壓輸出。輸入電源對應的測試引腳TP216，內部調節電源對應的測試引腳TP235和TP236，輸出電源對應的測試引腳TP233和TP232。測試結果如表1所示。
表1 電源管理芯片測試結果專家
測試結果顯示：U506輸入電源12 V實測值為12 V，顯示輸入電源正常，但是輸出電源和內部調節電源在測試輸入電壓12 V情況下，實測值均為0，說明U506在輸入電源正常的情況下，輸出電源和內部調節電源均異常，可以初步鎖定U506故障，為了進一步確認，對U506進行交換實驗。
3.U506芯片交換實驗
拆下故障件U506芯片，交換OK的U506電源管理芯片，更換后CCA恢復正常消耗電流，報文恢復滾動，由此判斷：U506芯片損壞導致無助力。因故障芯片再次裝配，引腳較多，有可能造成二次破壞，故障U506換裝OK的EPS未進行。
下一步使用Etool工具讀取故障信息，以確認導致的芯片故障原因。
4.EPS故障信息確認
更換OK的U506后對EPS累計點火讀取故障，讀取到問題件EPS故障碼NTCB0和NTCB1，NTCB0觸發條件：輸入低于6 V電源給EPS，觸發該故障碼（整車端出現無助力現象）。NTCB1觸發條件：輸入高于6 V低于9 V電源給EPS，觸發該故障碼（整車端出現助力沉現象），正常EPS輸入電壓區間為9～16 V。
驗證結論：EPS有外部電路輸入低電壓記錄，在同功率下低電壓會產生高電流，有燒毀芯片風險，下一步對芯片本體做進一步分析確認。
芯片故障排查通過外觀排查、X射線檢測功能確認和內部確認的步驟依次進行：
1.芯片外觀確認
對芯片頂部和底部進行外觀目視檢查確認，外觀狀態良好，無異常。
2.芯片X 射線檢測
對芯片頂部和側面進行X射線檢測，結果顯示無異常。
3.芯片功能確認
行業內通常采用電流-電壓（current Voltage, IV）測試做芯片功能測試，IV測試作為一種重要的分析手段，在芯片失效分析領域發揮著不可或缺的作用。IV 測試通過對芯片施加不同的電壓，并測量相應的電流變化，從而繪制出芯片的電流-電壓特性曲線[4]。這條曲線就像是芯片電學特性的“指紋”，蘊含著豐富的信息，能夠反映出芯片在不同工作狀態下的性能表現。
對U506芯片進行電壓曲線軌跡確認，PIN31 VREG和PIN32 LX2參考地線（GROUND, GND）短路進行電壓曲線軌跡確認，如圖2所示，細實線表示PIN31 VREG和PIN32 LX2參考設備的跟蹤曲線，粗實線表示PIN31 VREG和PIN32 LX2實際返回設備的曲線跟蹤結果。結果顯示PIN31和PIN32電壓為0，未和參考設備曲線重合，表明芯片功能受損。
圖2 PIN31和PIN32電壓軌跡確認
4.芯片內部確認
芯片去蓋圖像顯示芯片表面電路損壞，進一步確認芯片功能故障，圖3為損壞區域特寫。
圖3 損壞區域特寫
5.芯片排查結論
1）此例轉向助力失效現象屬于電源管理芯片U506失效所導致；
2）EPS有外部電路輸入低電壓記錄，在同功率下低電壓會產生高電流，有燒毀芯片風險；
3）出廠前有100%芯片功能檢測，芯片故障初步判斷為發貨后因電氣過應力（Electrical Over Stress, EOS）損壞導致部件失效。
EOS主要會來源于兩個方面：CCA外部過載和外部環境靜電放電（Electrical Static Discharge, ESD），通過設計開發驗證和破壞驗證確認排除是否為外部過載導致的EOS。
CCA外部過載分析判斷目前CCA設計過載保護是否有效。
1.硬件保護
采用電容和電感，目前的使用結構中過濾電感起到了部分過濾雜波的作用，屬于硬件保護的一種，滿足16 V的要求；電容和電感等硬件有設計余量可以吸收部分高電壓，滿足16 V的要求。
2.設計保護
1）防反設計：安裝了防反MOS管；
2）過電壓測試：試驗驗證中按照有關于EMC測試規范進行過電壓測試，以抵抗非常規電源電壓，標準為24 V&1 min、18 V&1 h、-14 V&2 min，滿足測試要求；
3）馬達保護：馬達會因電源電壓超出規定范圍而功率降級或停止工作。
3.破壞驗證
從整車電路到EPS內部電路原理分析，基于目前的故障模式，能探測到的只有脈沖和直接電壓輸入有可能會導致內部擊穿[5]。對正常件進行故障注入，依ISO 7637-2－2011進行測試，連接Etool，可以通過測量測試前后VREG和VC_1.3 V電壓判定是否失效。
1）故障注入脈沖電壓測試：Test pulse 2a，Level Ⅳ12V peak電壓設置為112 V和150 V（最高設置電壓），脈沖寬度td為50、200、300、500、1 000、2 000 μs各測試500次；測試后VREG和VC_1.3 V均正常，如圖4所示，未發現U506失效。
圖4 Test pulse 2a
2）故障注入脈沖群電壓測試：Test pulse 3b，Level Ⅳ 12V分別做peak電壓150、200、300、400、500、600、700、800 V（最高可設置電壓），上升時間tr 為5 ns，脈沖寬度td為100 ns，t4分別設置為10，50，100 ms（群寬可設置最大值），群間隔t5為0.09 ms，測試時長20 min。測試后VREG和VC_1.3 V均正常，如圖5所示，未發現U506失效。
圖5 Test pulse 3b
3）故障注入過電壓測試：輸入電壓設置 50 V，持續時間10 s，測試后VREG和VC_1.3 V均正常，未發現U506失效；輸入電壓設置60 V，上電后U506立刻失效，U506本體肉眼可見有擊穿痕跡，測試后VREG和VC_1.3 V均短路。線路中過濾電感和電容基本無壓降，所以U506的輸入電壓基本等同于整車的輸入電壓。
U506擊穿電壓測試：對U506進行加壓直至擊穿，測出U506的擊穿電壓。電壓在54 V左右，U506啟動自我保護程序，自我保護過程，輸出電壓開始下降，電壓超過58 V，U506自我保護能力開始擊穿，擊穿過程波動明顯，直至輸出電壓為0，圖6為擊穿電壓測試結果。
圖6 擊穿電壓測試
4）驗證結論：CCA設計滿足整車輸出穩定的9～16 V到EPS，輸入電壓達到58 V才能將芯片擊穿，基于上述開發設計驗證與破壞驗證試驗結果得出結論：芯片EOS非CCA外部輸入長時過電壓導致，而是由外部環境ESD導致。
確認是由外部環境ESD導致芯片EOS故障后，為了保護芯片在包裝時，免受ESD干擾的損壞，工廠應該重新審視ESD控制和預防程序執行情況，并在芯片尺寸封裝、有鉛封裝和無鉛封裝等裝配生產線中嚴格執行[6]。ESD控制程序應該指定相關責任和實施正確的ESD控制方法，并對操作人員定期進行ESD防護培訓，對容易出現問題的項目進行審核。
1.生產區域靜電管控
進入ESD區域必須穿戴防靜電勞保從靜電門進入區域；防靜電服，鞋，手套等定期進行監測檢查。
2.物料管控
來料靜電箱包裝，上料前不允許打開靜電箱；上線周轉箱、料盒等按要求進行監測。
3.工作環境管控
地面、料架、周轉臺、傳送帶、等離子風扇、靜電服、接地點、料車等定期進行靜電監測，具體參考標準參考表2。
表2 靜電放電產品測試標準規范
4.培訓檢測加嚴
各級供應商按照表測試標準進行管控，涉及ESD管控區域員工，分區域分要求進行培訓，以上措施嚴格核查保證到位后，對容易產生靜電設備加嚴管控，靜電服的靜電檢測頻次由1次/3月改為1次/2月，將等離子風扇的靜電檢測頻次由1次/3月改為1次/1月等。
5.效果驗證
以上措施實施后，因芯片ESD失效的百萬分率（Parts Per Million, PPM）由2022年的0.52降至2023年的0。
本文結合實際發生案例，對主流新能源車型電動助力轉向系統電子故障進行分析排查，在對電路板各芯片故障確認過程中，提供了有效的芯片故障分析檢測流程方法和標準的參考；在芯片故障的確認過程中，通過IV測試確認導致芯片燒毀是由EOS導致。文中提到的排查邏輯和測試方法為ECU芯片類故障的鎖定提供了參考。
在對芯片EOS產生原因分析排查過程中，從CCA硬件保護、設計保護和破壞驗證測試三方面進行論證分析，排除CCA外部過載的可能，芯片EOS是由外部環境ESD導致。文中提供的CCA開發設計保護的標準和破壞驗證測試方法為以后芯片EOS原因排查測試提供了參考。
文中最終提到芯片ESD管控在芯片封裝制造及組裝企業是不可或缺的一個重要環節，通過按規范要求加嚴外部環境ESD管控可以有效的控制芯片EOS的故障率。本文從EPS故障CCA開始層層剖析，最終聚焦到了芯片EOS故障以及導致該故障的外部環境ESD管控，該事件的排查流程和分析方法對此類故障分析提供了可靠的參考經驗。
參考文獻
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