變頻空調(diào)IPM可靠性研究與應(yīng)用

　　黎長源，李帥，項(xiàng)永金（格力電器（合肥）有限公司，安徽 合肥 230088）

　　摘要：針對空調(diào)用IPM模塊生產(chǎn)過程及運(yùn)輸周轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)IPM本體開裂問題，本文從IPM失效機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)、器件應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)質(zhì)量可靠性等方面進(jìn)行分析。通過器件失效機(jī)理、結(jié)構(gòu)對比、X光、機(jī)械應(yīng)力測試等對IPM器件本體全方位分析論斷，分析結(jié)果表明：IPM整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在質(zhì)量缺陷，IPM抗機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)度水平低，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中以較高的可靠性工作，本次IPM物理機(jī)械失效與器件本身設(shè)計(jì)質(zhì)量缺陷存在較大關(guān)聯(lián)；從器件本身可靠性設(shè)計(jì)、本體結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)全面整改，從器件本身質(zhì)量提升著手，進(jìn)行全面、系統(tǒng)化提升器件質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：變頻空調(diào)；IPM；開裂；器件結(jié)構(gòu)；機(jī)械應(yīng)力

　　0 引言

　　變頻空調(diào)是時(shí)代發(fā)展趨勢，空調(diào)除了具有基本的制冷、制熱功能外，空調(diào)節(jié)能、環(huán)保、舒適性也是新時(shí)代發(fā)展要求。變頻空調(diào)核心控制部分控制器是由多電路模塊組成，在實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)控制方面IPM起著不可或缺的作用，以實(shí)現(xiàn)空調(diào)頻率可調(diào)、可控。IPM將直流電轉(zhuǎn)換為模擬可控交流電控制壓縮機(jī)以不同的頻率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，完成空調(diào)快速制冷、制熱目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)這些要求IPM設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作可靠性都要高。近年來，家用空調(diào)用M廠家

IPM過程及售后物理機(jī)械失效非常突出，為典型的IPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量缺陷。為了從根本上分析導(dǎo)致IPM開裂失效原因，本文從IPM失效機(jī)理、失效因素、器件應(yīng)用環(huán)境、器件整機(jī)工作可靠性等方面進(jìn)行分析，其整改方案思路可以為其他類IPM物料失效分析整改提供借鑒及參考意義。

　　1 事件背景

　　變頻空調(diào)引入使用M廠家A編碼IPM在售后實(shí)際工作可靠性表現(xiàn)并不很好，用戶開機(jī)使用出現(xiàn)壓縮機(jī)不啟動現(xiàn)象，售后使用時(shí)間較短均在半個(gè)月之內(nèi)，核實(shí)電器盒上A編碼模塊出現(xiàn)本體從中間斷裂現(xiàn)象（如表1 2018年上半年M廠家A編碼模塊失效總體數(shù)據(jù)），問題急需進(jìn)行攻克解決。

　　2 IPM失效原因及失效機(jī)理分析

　　IPM模塊開裂失效主要集中在M廠家A編碼，且在售后使用時(shí)間較短均在半個(gè)月之內(nèi)失效，對電器盒拆解查看，發(fā)現(xiàn)IPM本體已經(jīng)開裂。斷裂位置一致（如圖1IPM開裂失效外觀及X-ray圖片），具體是因何種原因失效，是IPM封裝材質(zhì)問題、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量問題，還是實(shí)際應(yīng)用環(huán)境影響導(dǎo)致，針對問題我們展開失效原因相關(guān)分析驗(yàn)證工作。

　　2.1 控制器結(jié)構(gòu)差異點(diǎn)

　　經(jīng)過查詢M廠家A編碼對應(yīng)控制器有30多款，但與PFC電感搭配使用僅3款（售后出問題的，早前生產(chǎn)未帶PFC電感均未發(fā)現(xiàn)過）,由于PFC電感較重，認(rèn)為增加后對控制器板的強(qiáng)度有一定的影響（如圖2）。

　　2.2 物料一致性問題

　　2.2.1 內(nèi)部情況對比：通過X-ray測試內(nèi)部結(jié)構(gòu)無異常（如圖3）。

　　2.2.2 彎曲強(qiáng)度測試：經(jīng)對比M廠家A編碼和N廠家A編碼的縱向斷裂強(qiáng)度，M廠家A編碼比N廠家A編碼的斷裂強(qiáng)度小20%左右（如表2）。

　　2.2.3 灰分與熱重測試對比：M廠家A編碼與N廠家A編碼的揮發(fā)與熱重測試（如表3）數(shù)據(jù)接近。

　　2.2.4 材料測試對比：M廠家A編碼與N廠家A編碼的材料均為環(huán)氧樹脂，但是N廠家A編碼的譜圖峰值與M廠家A編碼的有一定的差別，核實(shí)之前制品表明廠家未更改過材料成分，從2012年7月開始就指定EMC材料，至今沒有變更。

　　2.3 與其他廠家模塊對比

　　通過對壓縮機(jī)模塊三個(gè)廠家外觀尺寸的對比，發(fā)現(xiàn)以下問題。

　　2.3.1 M廠家A編碼的模塊厚度最薄，比P廠家的本體厚度薄，體積也是最小的(如表4壓縮機(jī)模塊廠家外觀尺寸對比表)。

　　2.3.2 M廠家A編碼打螺釘位置的孔位，固定在散熱器上面，強(qiáng)電和弱電不對稱，受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)受力不對稱。

　　2.3.3 通過取M廠家A編碼實(shí)物外觀查看，在M廠家A編碼的散熱面，靠弱電斷裂側(cè)有3個(gè)約1.5mm的深孔；背部有一個(gè)凹槽，在螺釘固定位置的中間(如圖4M廠家A編碼實(shí)物)。

　　2.4 跌落實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　2.4.1 單體電器盒跌落實(shí)驗(yàn)：故障未復(fù)現(xiàn)

　　2.4.1.1 電器盒以1.5m高度進(jìn)行跌落（鈑金朝下與朝上跌落），跌落3次，跌落后功率器件存在變形情況，但未發(fā)現(xiàn)IPM模塊存在開裂情況，且變形受力方向與故障件相反(如圖5)。

　　2.4.1.2 電器盒以1.5M高度進(jìn)行跌落（側(cè)面），跌落后功率器件存在變形情況，但未發(fā)現(xiàn)IPM模塊存在開裂情況，且變形受力方向與故障件較為相似(如圖6)。

　　2.4.1.3 模塊焊接偏高異常：把IPM塞塊增加矽膠片進(jìn)行焊接，將模塊高度增加至6.8 mm（標(biāo)準(zhǔn)為：6±0.2）mm，按1.5 m高度進(jìn)行跌落，跌落后均出現(xiàn)功率器件引腳變形但器件未開裂情況。

　　2.4.2 整機(jī)跌落實(shí)驗(yàn)：3.9m高跌落實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)

　　2.4.2.1 整機(jī)正向側(cè)向跌落1 m和1.6 m各跌落兩次，IPM引腳有輕微變形現(xiàn)象，但未出現(xiàn)售后破裂現(xiàn)象(如圖7)。

　　2.4.2.2 整機(jī)正向跌落3.9 m高度，模擬售后卸貨從車上掉落。經(jīng)模擬從車子頂層將機(jī)子跌落,共跌落2次,跌落高度約3.9 m，試驗(yàn)后整機(jī)外觀明顯變形,拆機(jī)檢查控制器下塌,模塊破裂，與售后反饋的圖片相似（如圖8）。同時(shí)，電器盒內(nèi)部其他部位也出現(xiàn)不同程度的損傷，如扼流圈支架斷、功率器件變形、風(fēng)機(jī)電容腳斷（售后返回均未發(fā)現(xiàn)其他器件破損異常）等問題。

　　分析小結(jié)：從模擬摔機(jī)情況看，整機(jī)外觀與控制器等整體都出現(xiàn)不同程度變形,與售后回訪情況存在差異,但控制器模塊破損位置及破損方式與售后反饋的相似,說明售后出現(xiàn)的模塊破損與整機(jī)從較高處直接跌落有直接關(guān)系，同時(shí)模塊本身承受能力較差。

　　3 IPM 失效整改措施

　　3.1 器件自身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　1） 增加 CBD陶瓷覆銅板（如圖9 更改后增加CBD陶瓷覆銅板）。

　　2） 本體的凹槽填平（如圖10 更改后凹槽填平）。

　　3.2 關(guān)于加強(qiáng)空調(diào)成品裝卸、安裝過程的管控要求空調(diào)從出庫到客戶的安裝流程中，涉及此流程的電商管理部、經(jīng)營部、成品庫、客服中心、各銷售公司及安裝網(wǎng)點(diǎn)，須加強(qiáng)對員工的培訓(xùn)教育，運(yùn)輸周轉(zhuǎn)及安裝過程中嚴(yán)禁出現(xiàn)摔機(jī)、高空扔機(jī)等現(xiàn)象。

　　4 整改效果評估及應(yīng)用效果驗(yàn)證

　　4.1 新舊制品外觀上區(qū)別

　　4.1.1 新制品相對舊制品凹陷處填平，左邊舊制品，右邊新制品（如圖11）。

　　4.1.2 同時(shí)增加CBD陶瓷覆銅板以提高抗彎曲強(qiáng)度，左邊舊制品，右邊新制品（如圖12）。

　　4.2 X-ray核實(shí)內(nèi)部線路狀態(tài)

　　1) 弱電線路部分：新舊制品線路一致。

　　2) 強(qiáng)電線路部分：新制品線路做更改，對引腳與塑封接觸部分改成T字結(jié)構(gòu)，增加接觸面積，提升IPM抗機(jī)械強(qiáng)度能力（如圖13，圖14 ）。

　　4.3 M廠家A編碼模塊抗強(qiáng)度測試驗(yàn)證

　　測試條件：測試擺放如下，測試位移1mm/min（如圖15）。

　　測試更改前后各安排2個(gè)樣品，結(jié)果見表5，更改后制品抗彎曲強(qiáng)度明顯提高。

　　4.3.1 M廠家A編碼模塊新舊制品在管腳性能參數(shù)，極限參數(shù)一致。對裝配整機(jī)性能測試及跌落試驗(yàn)驗(yàn)證無異常。

　　5 IPM失效整改總結(jié)及意義

　　通過產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用過程中的問題反饋信息及器件單體驗(yàn)證分析，本文從IPM失效機(jī)理、失效因素、器件應(yīng)用環(huán)境、器件裝配可靠性等多方面進(jìn)行分析，通過對器件單體可靠性，及整機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，IPM耐抗機(jī)械強(qiáng)度為700N以上，需要從器件本身進(jìn)行整改，IPM耐抗機(jī)械強(qiáng)度分析因素進(jìn)行分析探索研究，綜合分析評估IPM結(jié)構(gòu)調(diào)整可以達(dá)到此要求。

　　本體調(diào)整M廠家A編碼模塊結(jié)構(gòu)，在原有的標(biāo)準(zhǔn)上表5 新舊制品抗彎曲強(qiáng)度測試對比表序號 樣品狀態(tài) 測試數(shù)據(jù)（N） 圖片樣品 1 更改前 709.354樣品 2 更改前 701.021樣品 3 更改后 2004.871樣品 4 更改后 2148.263再次提升IPM抗機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)力，從而改善產(chǎn)品質(zhì)量，更改后制品極限抗彎曲強(qiáng)度由7 0 0 N 提 高 到2000N以上，效果明顯。

　　通 過 此 次 整改，器件引入開發(fā)時(shí)需對器件單體及應(yīng)用電路、工作環(huán)境等進(jìn)行詳 細(xì) 有 效 測 試評估，要與實(shí)際使用環(huán)境及使用位置進(jìn)行綜合評估，將IPM抗強(qiáng)度測試評估要求納入入廠檢標(biāo)準(zhǔn)，可提前測試把關(guān)提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高IPM應(yīng)用的可靠性，降低過程及應(yīng)用中后失效率。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 李超. 變頻空調(diào)智能功率模塊自舉電路的分析及應(yīng)用 [J]. 家電科技 .2014-06-01

　　[2] 王清靈. 智慧型開關(guān)器件IPM及其應(yīng)用 [J]. 淮南工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)期刊. 2001-03-30

　　[3] 王慧,任恩恩,孔令剛. IPM智能功率模塊及其應(yīng)用[J]. 科技咨詢導(dǎo)報(bào). 2007 (01)

　　[4] 陳永利,閆英敏,趙霞,劉闖. 智能功率模塊(IPM)的驅(qū)動與保護(hù)[J]. 移動電源與車輛. 2007 (02)

　　[5] 袁濤,鄭建勇,曾偉,康靜. IPM智能功率模塊電路設(shè)計(jì)及其在有源濾波器裝置中應(yīng)用[J]. 電力自動化設(shè)備. 2007 (05)

　　[6] 馮宇翔. 主流智能功率模塊分析 [J] . 家電科技期刊 2014-03-01

　　[7] 劉高揚(yáng)IPM模塊在家電中的應(yīng)用與失效模式 [J] .《IT時(shí)代周刊》2013年度論文集 2013-07-20

　　作者簡介：

　　黎長源(1984.1),男，高級工程師，主要研究方向：空調(diào)制冷技術(shù)、變頻空調(diào)IPM可靠性技術(shù)。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第7期第60頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處