關(guān)于空調(diào)用接收板、開關(guān)板可靠性試驗的研究

作者 張秀鳳 張成成 劉可江 程磊 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

張秀鳳(1990-)，女，質(zhì)量管理員，研究方向：控制器作可靠性。

摘要：開關(guān)板和接收板是空調(diào)運動部件的重要結(jié)構(gòu)之一，整個PCB板上的元器件僅包含光電開關(guān)、電阻和二極管，但光電開關(guān)售后失效較高。為能夠提前將易失效的元器件篩選出來，降低開關(guān)板和接收板的售后故障率，對現(xiàn)有實驗條件以及結(jié)合開關(guān)板和接收板上的元器件參數(shù)進行試驗條件分析，確定目前能夠?qū)崿F(xiàn)的最佳試驗條件。

引言

　　元器件可靠性研究一直是我們不斷探索和總結(jié)的課題，不斷加入新的試驗條件，不斷總結(jié)新的試驗公式，以求提高產(chǎn)品可靠性。2016年全年的開關(guān)板和接收板共計老化307173pcs，僅篩選出4單故障件，所占比例為13.021PPM，而2016年售后下線共計20單，遠超老化發(fā)現(xiàn)異常數(shù)，試驗的目的遠遠沒有達到。

1 實驗弊端

　　現(xiàn)將查到的資料與我司現(xiàn)在可靠性試驗進行對比，發(fā)現(xiàn)目前我們試驗主要存在以下弊端：

1.1 試驗條件缺少樣品參數(shù)

　　樣品數(shù)量變化對老化條件的影響在實驗空間越小時體現(xiàn)越明顯，現(xiàn)在試驗參數(shù)僅有時間與溫度兩項，忽略樣品數(shù)量這一參數(shù)(本身試驗數(shù)量和試驗時間是動態(tài)變化的，即在篩選度一定的情況下，老化樣品數(shù)量越多，所需時間越短)。

1.2 試驗條件固定

　　現(xiàn)有試驗統(tǒng)一按照50℃/4H進行，但實際需根據(jù)具體試驗樣品因素進行調(diào)整。試驗時間需要考慮樣品參數(shù)及數(shù)量和產(chǎn)品實際狀態(tài)進行調(diào)整，試驗溫度也需要考慮產(chǎn)品的工作溫度和極限溫度，即使同一編碼的物料，不同廠家生產(chǎn)的元器件極限溫度也會有差別，例如用在接收板和開關(guān)板上的二極管(編碼為35030152)，結(jié)溫與儲存溫度均有差別，詳見表1。

1.3 篩選度低

　　現(xiàn)有光電開關(guān)多數(shù)都在做恒定溫度試驗，所選試驗溫度在存儲范圍之內(nèi)，且不接近存儲溫度的上限或者下限，無法起到快速篩選出易失效元器件的目的。

2 可靠性試驗分析

　　可靠性試驗是通過施加典型環(huán)境應(yīng)力和工作載荷的方式，用于剔除產(chǎn)品早期缺陷、增長或測試產(chǎn)品可靠性水平、檢驗產(chǎn)品可靠性指標(biāo)、評估產(chǎn)品壽命指標(biāo)的一種有效手段?？筛鶕?jù)需要達到的目的，在產(chǎn)品的設(shè)計、研制、生產(chǎn)和使用手段，開展不同類型的可靠性試驗?？煽啃栽囼烅椖績?nèi)容如圖1所示。

　　而我們對于目前生產(chǎn)的開關(guān)板和接收板進行的是環(huán)境應(yīng)力篩選試驗。

　　環(huán)境應(yīng)力篩選的目的：在產(chǎn)品交付使用前發(fā)現(xiàn)和排除不良元器件、制造工藝和其他原因引入的缺陷造成的早期故障。

　　環(huán)境應(yīng)力篩選的適用對象：主要適用電子產(chǎn)品(包括元器件、組件和設(shè)備)，也可用于電氣、機電、光電和電化學(xué)產(chǎn)品。

　　環(huán)境應(yīng)力篩選的適用時機：產(chǎn)品的研制階段、生產(chǎn)階段和大修過程。

　　常見的環(huán)境應(yīng)力篩選試驗有恒定高溫試驗、冷熱沖擊試驗、振動試驗、潮態(tài)試驗等，而能夠體現(xiàn)試驗結(jié)果的就是篩選度(所設(shè)置的試驗條件對樣品的篩選的強度，篩選度越大，老化試驗效果越好)。光電開關(guān)目前的老化試驗為50℃，4小時，屬于恒定高溫老化。而光電開關(guān)在特殊情況下也會做冷熱沖擊試驗，下面將對這兩個試驗進行專項分析和對比，更加直觀地明確試驗條件的制定。

2.1 恒定高溫老化試驗

　　恒定高溫老化試驗篩選度公式為：

　　SS(t)=1-exp{-0.0017(R+0.6)^0.6*t} (1)

　　在該式中的參數(shù)含義為：

　　SS(t)：篩選度;R：高溫與室溫(一般為25℃)的差值;t：恒定高溫持續(xù)時間。

　　令Y= exp{-0.0017(R+0.6)^0.6*t}，則SS(t)=1-Y，若讓SS(t)增加，則Y需減小，Y的函數(shù)類型為e^(-x)，其函數(shù)圖像如圖2所示。

　　根據(jù)其函數(shù)圖像可知Y是隨X的增大而減小，而X隨R、t增加的而增加，所以可得出結(jié)論：增加篩選度，就要提高溫度和試驗時間。

　　設(shè)定老化實驗的溫度時，應(yīng)考慮樣品本身的承受能力以及老化實驗箱的誤差。

　　繼之前的篩選度與老化溫度和老化時間的研究，接下來就是確定最佳老化時間。在試驗空間很大時，此處可不計入計算，但若在空間很小的試驗箱內(nèi)，則需將此點列入試驗條件當(dāng)中。確定時間公式為：

　　T=AMTBF*0.5X^2(1-a,2(r+1)) (2)

　　在該式中參數(shù)含義為：

　　MTBF：平均失效間隔，MTBF值越大，產(chǎn)品可靠性越高，產(chǎn)品失效分為產(chǎn)品整體失效和產(chǎn)品組件失效，此處失效定為產(chǎn)品組件失效;

　　a：信心度;

　　r：允許失效數(shù)(在沒有產(chǎn)品失效時n取1);

　　最終計算出的測試時間為所有樣品共用的時間，即：

　　T=n*t (3)

　　其中，n為樣品數(shù)，t為每個樣品數(shù)所用的時間。時間T與樣品數(shù)n成反比，但樣品數(shù)也不宜過多，防止擠壓導(dǎo)致其元器件破損或暗裂。

2.2 高低溫循環(huán)試驗

　　利用熱脹冷縮原理，進行高低溫循環(huán)試驗，可以檢測出光電開關(guān)內(nèi)部焊接不良問題。高低溫循環(huán)實驗篩選度：

　　SS(t)=1-exp{-0.0017(R+0.6)^0.6[Ln(e+v) ]^3N} (4)

　　其中，R為高低溫之間的溫度差，V為溫度循環(huán)中溫度變化率，N為溫度循環(huán)次數(shù)。

　　試驗條件：50℃/1H、-10℃/1H，經(jīng)了解，溫度由50℃變?yōu)?10℃時間約為半個小時，溫度變化率為2，求得其篩選度為SS2=7.18%。

　　試驗條件：50℃/4H、-20℃/2H，溫度由50℃變?yōu)?20℃時間約為50分鐘，溫度變化率為1.4，求得其篩選度為SS3=6%。

　　由此可以看出，50℃/4h的篩選度(4.65%)最低，而50℃/1H、-10℃/1H的篩選度(7.18%)最高。

　　高低溫循環(huán)試驗的篩選度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系要高于與老化試驗半個周期時間的關(guān)系，而老化試驗箱的溫度變化率則隨著設(shè)置的高低溫而改變，且溫度由低溫到高溫變化的時間要比由高溫到低溫的時間長。因此在設(shè)計高低溫循環(huán)老化試驗時會著重考慮高低溫設(shè)置、循環(huán)次數(shù)，試驗方案需先進行低溫，再進行高溫，保證元器件在老化試驗箱中符合設(shè)定溫度的狀態(tài)滿足所設(shè)置的時間條件。

　　另外，上述高低溫循環(huán)試驗僅僅進行了一個周期的循環(huán)，若增加一個循環(huán)，將試驗條件定為高溫50℃、低溫-10℃，高溫和低溫各1小時，循環(huán)2次，則篩選度為SS=1-exp{-0.0017(60+0.6)^0.6[Ln(e+2) ]^3*2}=13.84%，篩選度提高近一倍。

3 開關(guān)板、接收板老化實驗初步方案制定

　　由上述分析可知，高低溫循環(huán)試驗的篩選度明顯高于恒定高溫的篩選度，而在確定溫度時，也要考慮樣品元器件的極限溫度， 在老化接收板和開關(guān)板的試驗條件設(shè)定中，可將板上元器件的溫度范圍綜合起來考慮，求出元器件溫度的交集，將這個交集作為試驗設(shè)定的基準(zhǔn)。經(jīng)查詢接收板和開關(guān)板的與溫度相關(guān)的元器件為光電開關(guān)和二極管，螺釘、板件連線以及碳膜電阻在圖紙上均無溫度要求;開關(guān)盒可耐200℃高溫(非明火)。僅剩光電開關(guān)以及二極管的溫度作為參考，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

　　由此可見，實驗溫度低溫設(shè)置不宜低于-20℃，高溫不宜超過75℃(開關(guān)板300070000001不宜超過85℃)。高低溫循環(huán)試驗過程如圖3所示。

　　圖3中各參數(shù)含義如下：

　　A——第一個循環(huán)開始;

　　B——第一個循環(huán)結(jié)束，第二個循環(huán)開始;

　　TA——試驗條件要求的低溫環(huán)境;

　　TB——試驗條件要求的高溫環(huán)境;

　　t1——低溫存儲時間;

　　t2——低溫升至高溫所用時間;

　　t3——高溫存儲時間;

　　t4——高溫降至低溫所用時間(在實際試驗中t2

　　現(xiàn)制定試驗要求如下：

　　TA=-10℃;

　　TB=50℃;

　　t1=t3=30min;

　　20min≤t2≤30min;

　　40min≤t4≤50min。

　　一個循環(huán)周期T：2小時≤T=t1+ t2+ t3+ t4≤1小時20分，為滿足試驗對象在試驗條件中的時間要求，取T=1小時20分;若老化試驗箱可提高溫度變化率即減少t2、t4的時間，試驗周期可減小。

　　方案1：試驗周期為1;試驗時間為1小時20分鐘;篩選度SS1為：

　　SS1=1-exp{-0.0017(60+0.6)^0.6[Ln(e+2) ]^3*1}=7.18%

　　方案2：試驗周期為2;試驗時間為2小時40分鐘 ;篩選度SS2為：

　　SS2=1-exp{-0.0017(60+0.6)^0.6[Ln(e+2) ]^3*2}=13.84%

　　方案3：試驗周期為3;實驗時間為4小時;篩選度SS3為：

　　SS3=1-exp{-0.0017(60+0.6)^0.6[Ln(e+2) ]^3*3}=20.03%

　　對比可知，方案3的篩選度最大，老化效果最佳，雖老化時間較長，但4小時可滿足現(xiàn)有生產(chǎn)周期(4小時為現(xiàn)有老化時間)，因此循環(huán)可執(zhí)行3次。而在物料處于敏感時期，則可增加循環(huán)次數(shù)或者適當(dāng)提高試驗溫度(根據(jù)對應(yīng)的板，不宜超過該板上元器件的極限溫度)。

　　常溫下恢復(fù)1h，外觀檢驗無異常，性能參數(shù)應(yīng)符合將光電開關(guān)焊接到電路板或試驗裝置上測試，輸入、輸出功能及其性能參數(shù)應(yīng)符合技術(shù)圖紙的要求，若測試出現(xiàn)故障品，每一單故障品都要經(jīng)過篩選專業(yè)分析，給出最確切的結(jié)果，制定相應(yīng)的物料調(diào)整，確保所生產(chǎn)的產(chǎn)品均為使用壽命長的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

4 后續(xù)老化試驗方向

　　目前的可靠性試驗條件單一，篩選度較理論值比仍然較低，后續(xù)方向應(yīng)該以通電老化+溫度調(diào)節(jié)+動態(tài)測試的模式。通電老化是為了以光電開關(guān)的真實工作下作為模擬環(huán)境;利用溫度變化沖擊來加重環(huán)境對產(chǎn)品的影響，縮短性能較差的產(chǎn)品失效的時間;部分故障現(xiàn)象在老化過程中可能出現(xiàn)，但當(dāng)樣品放置在室溫恢復(fù)后，故障現(xiàn)象可能消失，增加動態(tài)測試可篩選出一部分潛在的故障。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第47頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。