基于可靠性技術(shù)的UVC紫外殺菌燈質(zhì)量控制研究
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0 引言
健康是人類不懈的追求，人們對健康的認(rèn)知隨著生活水平和社會(huì)的發(fā)展不斷提高，20 世紀(jì)70 年代開始，紫外殺菌技術(shù)逐步應(yīng)用于污水處理、工業(yè)消毒等領(lǐng)域。90 年代隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，紫外殺菌憑借其特有的環(huán)保潔凈特性在歐美國家得到廣泛的應(yīng)用。
人們對空氣質(zhì)量的關(guān)注促使殺菌空氣調(diào)節(jié)器的迅速誕生，紫外殺菌系統(tǒng)作為凈化功能的一種手段，因其屬于物理殺菌不會(huì)導(dǎo)致二次污染以及殺菌效果可量化等優(yōu)點(diǎn)而被用于空調(diào)器中。
空調(diào)用紫外殺菌燈：由UVC-LED 燈珠（UVC-LED芯片、陶瓷支架、藍(lán)寶石蓋板）、恒流驅(qū)動(dòng)芯片IC、石英玻璃等組成的部件。
隨著人們生活水平的不斷提高，對生活質(zhì)量有更高的要求，空調(diào)送風(fēng)的空氣的質(zhì)量更加潔凈，實(shí)現(xiàn)此功能達(dá)到殺菌作用且不會(huì)產(chǎn)生副作用的物理殺菌，首推UVC 紫外殺菌燈。
圖1 UVC紫外殺菌燈實(shí)物圖
行業(yè)使用UVC 紫外殺菌以來，包含基于紫外殺菌燈涉及不同規(guī)格的型號，過程及售后故障率年年呈上升趨勢。高端機(jī)型中的使用逐年增加，質(zhì)量形勢不容樂觀，解決問題也勢在必行。
圖2 UVC紫外殺菌燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
1 UVC紫外殺菌失效原因及失效機(jī)理分析
通過總結(jié)過程以及售后的失效數(shù)據(jù)，可將故障分為四大類：環(huán)境應(yīng)力器件脫焊、密封性密封不良、受力連接線斷、電路設(shè)計(jì)燈不亮。
1.1 焊接類分析
故障件外在表現(xiàn)為器件破損、脫焊、脫落，功能已失效，在放大鏡下可見焊接異常及明顯的器件脫落。
1）脫焊不良：表現(xiàn)為UVC-LED 燈珠存在脫焊現(xiàn)象。
2）虛焊不良：表現(xiàn)為UVC-LED 燈珠存在虛焊現(xiàn)象。
圖3 脫焊
圖4 虛焊
3）破損分析：發(fā)光二極管邊緣部分存在破損 ，放大鏡下觀察有明顯的受力點(diǎn)。
圖5 破損
1.2 密封不良
UVC-LED燈珠附近有水分。
1.3 線斷類分析
連接線斷開、焊接點(diǎn)脫落，故障現(xiàn)象存在不穩(wěn)定。
線徑斷開：連接線容易受力斷開。
焊接點(diǎn)脫落：線端焊接不良，導(dǎo)致容易出現(xiàn)脫焊、虛焊現(xiàn)象。
圖6 連接線斷開
圖7 焊接點(diǎn)脫落
1.4 燈不亮類分析
發(fā)光二極管其中一個(gè)失效后，整體所有燈均存在不良現(xiàn)象，屬于設(shè)計(jì)上的缺陷。
2 UVC紫外殺菌可靠性分析
2.1 焊接異常
焊盤尺寸設(shè)計(jì)：測試PCB板燈珠焊盤尺寸略偏大（原尺寸0.50 mm×0.80 mm）, 貼片后，回流焊接，部分WICOP芯片發(fā)生輕微移位，形成偏移，發(fā)生位移量<焊盤尺寸50%；焊接異常導(dǎo)致虛焊現(xiàn)象，焊盤錫膏覆蓋不均勻。
圖8 虛焊
鋼網(wǎng)尺寸設(shè)計(jì)：鋼網(wǎng)尺寸設(shè)計(jì)不規(guī)范，從焊盤焊接角度上，錫膏覆蓋焊盤不全，導(dǎo)致存在錫少現(xiàn)象，焊接不充分，存在脫落隱患。
圖9 0.50mm×0.80mm結(jié)構(gòu)
圖10 燈珠脫落
2.2 密封不良
連接線未打膠圈固定位置，潮態(tài)試驗(yàn)后模塊內(nèi)部鋁基板有水份。且存在受力，使其密封不良及線拉斷現(xiàn)象。
2.3 連接線斷
連接線抗機(jī)械應(yīng)力不足導(dǎo)致拉斷，受力拉斷，測試數(shù)據(jù)不足45N，在裝配時(shí)容易受力斷開。
表1 對比電機(jī)及UVC紫外殺菌燈線差異
圖11 未打膠圈
圖12 鋁基板
圖13 測試?yán)瓟?/em>
2.4 電路設(shè)計(jì)方面—UVC-LED燈珠電路
紫外殺菌燈的UVC-LED 燈珠其中一個(gè)失效后，整體所有燈均存在不良現(xiàn)象，電路中對UVC-LED 燈珠無防護(hù)器件，電路的UVC-LED 燈珠進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計(jì)，對電路可靠性評估存在不足。
圖14 電路設(shè)計(jì)
2.5 電路設(shè)計(jì)方面——過壓保護(hù)電路
紫外殺菌燈的MT782 恒流驅(qū)動(dòng)芯片在BUCKBOOST工作模式下當(dāng)負(fù)載（LED）開路或負(fù)載（LED性能不良）不良情況下，輸出電壓會(huì)高于（40 V×0.75），易造成芯片內(nèi)MOS 管擊穿。
在外接12V的環(huán)境下，去掉LED 時(shí)齊納二極管的穩(wěn)壓在12V左右，未去掉LED 的模塊壓降6V左右，根據(jù)電源疊加原理，故而第1 個(gè)LED 的電壓會(huì)出現(xiàn)24~31V，第2 個(gè)LED 電壓會(huì)有18~25 V。模擬電路電壓在會(huì)出現(xiàn)高于（40V×0.75）的現(xiàn)象。
圖15 PCB板電路結(jié)構(gòu)
3 UVC紫外殺菌燈優(yōu)化方案
通過對UVC 紫外殺菌性能參數(shù)、整配結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)需要從如下方面提高UVC 紫外殺菌燈的可靠性：
1）焊接優(yōu)化，對PCB 板焊盤尺寸、鋼網(wǎng)尺寸調(diào)整，提高燈珠及PCB 板焊接的可靠性；
2）線徑增加，提高連接線的抗拉能力；
3）密封處理，提高抗機(jī)械應(yīng)力能力；
4）電路設(shè)計(jì)優(yōu)化，UVC-LED 燈珠線路設(shè)計(jì)優(yōu)化，并增加過壓保護(hù)電路。
4 整改方案可靠性驗(yàn)證
UVC 紫外殺菌燈整改后再經(jīng)過可靠性驗(yàn)證：
4.1 焊接優(yōu)化
設(shè)計(jì)PCB 焊盤尺寸由0.50 mm×0.80mm 更改為0.45 mm×0.75 mm，燈珠回流焊接后未再出現(xiàn)明顯偏移，新錫膏貼片后對燈珠進(jìn)行推力測試10 件，結(jié)果均大于2 kgf。鋼網(wǎng)尺寸：UVC-LED 燈珠測試尺寸為0.46 mm×0.70 mm， 在封裝0201（0.30 mm×0.60 mm） 及0402（0.50 mm×1.00 mm）元件之間。
圖16 PCB焊盤
對之前的75%鋼網(wǎng)開口大小調(diào)整，調(diào)整到焊盤面積的基礎(chǔ)上加大10%，間距保持不變，四周倒0.03 mm的圓角。
圖17 UVC-LED 燈珠
燈柱焊接可焊性可靠性實(shí)驗(yàn)：隨機(jī)抽取整改前后樣品各5pcs測試推力，受推力值提升60%。
表2 推力值對比測試
4.2 密封處理
增加連接與塑殼之間進(jìn)行打膠固定，提供連接線抗拉能力，并提高其UVC 模塊密封性。
圖18 未打膠固定
圖19 打膠固定
4.3 線徑增加
連接線抗機(jī)械應(yīng)力不足導(dǎo)致拉斷，調(diào)整增加線束數(shù)量及線束直徑，提高抗拉能力。
圖20 殺菌燈線
圖21 電機(jī)線
機(jī)械應(yīng)力實(shí)驗(yàn)：隨機(jī)抽取整改前后樣品各5 pcs 測試?yán)?，受力拉斷值提? 倍。
表3 拉力值對比測試
4.4 電路設(shè)計(jì)——UVC-LED 燈珠電路
在串聯(lián)UVC-LED 燈珠電路中，增加TVS 二極管，在電路中起著穩(wěn)壓的作用，在外部有大電壓的情況下，穩(wěn)定UVC 模塊的電壓值。
電路設(shè)計(jì)—過壓保護(hù)電路：MT7282 恒流驅(qū)動(dòng)芯片由BUCK-BOOST 模式更改為BOOST 模式。增加保險(xiǎn)絲。焊線圖LED- 電源線焊接到U1 第4 pin 上。
電路設(shè)計(jì)可靠性驗(yàn)證：UVC-LED 燈珠和TVS 二極管并聯(lián)，3 個(gè)單元電路串聯(lián)。若只去掉燈珠，或者只去掉TVS 二極管，電路能夠正常工作。如圖所示：
圖22 燈珠電路優(yōu)化后
圖23 無過壓保護(hù)電路
圖24 有過壓保護(hù)電路
圖25 去掉燈珠
圖26 去掉TVS二極管
5 UVC紫外殺菌燈失效整改總結(jié)及意義
本文結(jié)合失效樣品分析，對UVC 紫外殺菌燈失效原因、失效機(jī)理分析及結(jié)構(gòu)可靠性等多方面進(jìn)行核實(shí)，經(jīng)過對UVC 紫外殺菌燈結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、電路設(shè)計(jì)可靠性對比論證，發(fā)現(xiàn)需從UVC 紫外殺菌燈本身進(jìn)行整改。通過對比分析方法，優(yōu)化UVC 紫外殺菌燈可靠性方面數(shù)據(jù)，從UVC 紫外殺菌燈本身提高器件的整體可靠性。
通過此次整改，對UVC 紫外殺菌燈可靠性進(jìn)行詳細(xì)有效測試評估，通過對比結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、電路設(shè)計(jì)分析，提煉結(jié)構(gòu)優(yōu)勢、參數(shù)優(yōu)勢，進(jìn)行推動(dòng)優(yōu)化器件整體性能，以提高產(chǎn)品的可靠性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 吳曉麗.解析IEC 60335-2-40:2018中紫外殺菌功能空調(diào)器的安全要求[J].質(zhì)量與認(rèn)證,2018(11):73-78.
[2] 丁有生.紫外殺菌燈技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展[J].燈與照明,2015(2):19-24.
（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）
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