關(guān)于空調用接收板、開(kāi)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(kāi)關(guān)板和接收板是空調運動(dòng)部件的重要結構之一，整個(gè)PCB板上的元器件僅包含光電開(kāi)關(guān)、電阻和二極管，但光電開(kāi)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(lái)，降低開(kāi)關(guān)板和接收板的售后故障率，對現有實(shí)驗條件以及結合開(kāi)關(guān)板和接收板上的元器件參數進(jìn)行試驗條件分析，確定目前能夠實(shí)現的最佳試驗條件。

引言

　　元器件可靠性研究一直是我們不斷探索和總結的課題，不斷加入新的試驗條件，不斷總結新的試驗公式，以求提高產(chǎn)品可靠性。2016年全年的開(kāi)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(xiàn)共計20單，遠超老化發(fā)現異常數，試驗的目的遠遠沒(méi)有達到。

1 實(shí)驗弊端

　　現將查到的資料與我司現在可靠性試驗進(jìn)行對比，發(fā)現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

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

1.2 試驗條件固定

　　現有試驗統一按照50℃/4H進(jìn)行，但實(shí)際需根據具體試驗樣品因素進(jìn)行調整。試驗時(shí)間需要考慮樣品參數及數量和產(chǎn)品實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行調整，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(chǎng)家生產(chǎn)的元器件極限溫度也會(huì )有差別，例如用在接收板和開(kāi)關(guān)板上的二極管(編碼為35030152)，結溫與儲存溫度均有差別，詳見(jiàn)表1。

1.3 篩選度低

　　現有光電開(kāi)關(guān)多數都在做恒定溫度試驗，所選試驗溫度在存儲范圍之內，且不接近存儲溫度的上限或者下限，無(wú)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(guò)施加典型環(huán)境應力和工作載荷的方式，用于剔除產(chǎn)品早期缺陷、增長(cháng)或測試產(chǎn)品可靠性水平、檢驗產(chǎn)品可靠性指標、評估產(chǎn)品壽命指標的一種有效手段?？筛鶕枰_到的目的，在產(chǎn)品的設計、研制、生產(chǎn)和使用手段，開(kāi)展不同類(lèi)型的可靠性試驗?？煽啃栽囼烅椖?jì)热萑鐖D1所示。

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

　　環(huán)境應力篩選的目的：在產(chǎn)品交付使用前發(fā)現和排除不良元器件、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、組件和設備)，也可用于電氣、機電、光電和電化學(xué)產(chǎn)品。

　　環(huán)境應力篩選的適用時(shí)機：產(chǎn)品的研制階段、生產(chǎn)階段和大修過(guò)程。

　　常見(jiàn)的環(huán)境應力篩選試驗有恒定高溫試驗、冷熱沖擊試驗、振動(dòng)試驗、潮態(tài)試驗等，而能夠體現試驗結果的就是篩選度(所設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(kāi)關(guān)目前的老化試驗為50℃，4小時(shí)，屬于恒定高溫老化。而光電開(kāi)關(guān)在特殊情況下也會(huì )做冷熱沖擊試驗，下面將對這兩個(gè)試驗進(jìn)行專(zhuān)項分析和對比，更加直觀(guān)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：恒定高溫持續時(shí)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的函數類(lèi)型為e^(-x)，其函數圖像如圖2所示。

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

　　設定老化實(shí)驗的溫度時(shí)，應考慮樣品本身的承受能力以及老化實(shí)驗箱的誤差。

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

　　T=AMTBF*0.5X^2(1-a,2(r+1)) (2)

　　在該式中參數含義為：

　　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(在沒(méi)有產(chǎn)品失效時(shí)n取1);

　　最終計算出的測試時(shí)間為所有樣品共用的時(shí)間，即：

　　T=n*t (3)

　　其中，n為樣品數，t為每個(gè)樣品數所用的時(shí)間。時(shí)間T與樣品數n成反比，但樣品數也不宜過(guò)多，防止擠壓導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(jìn)行高低溫循環(huán)試驗，可以檢測出光電開(kāi)關(guān)內部焊接不良問(wèn)題。高低溫循環(huán)實(shí)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。

　　試驗條件：50℃/1H、-10℃/1H，經(jīng)了解，溫度由50℃變?yōu)?10℃時(shí)間約為半個(gè)小時(shí)，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(shí)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)次數的關(guān)系要高于與老化試驗半個(gè)周期時(shí)間的關(guān)系，而老化試驗箱的溫度變化率則隨著(zhù)設置的高低溫而改變，且溫度由低溫到高溫變化的時(shí)間要比由高溫到低溫的時(shí)間長(cháng)。因此在設計高低溫循環(huán)老化試驗時(shí)會(huì )著(zhù)重考慮高低溫設置、循環(huán)次數，試驗方案需先進(jìn)行低溫，再進(jìn)行高溫，保證元器件在老化試驗箱中符合設定溫度的狀態(tài)滿(mǎn)足所設置的時(shí)間條件。

　　另外，上述高低溫循環(huán)試驗僅僅進(jìn)行了一個(gè)周期的循環(huán)，若增加一個(gè)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(shí)，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(kāi)關(guān)板、接收板老化實(shí)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(shí)，也要考慮樣品元器件的極限溫度， 在老化接收板和開(kāi)關(guān)板的試驗條件設定中，可將板上元器件的溫度范圍綜合起來(lái)考慮，求出元器件溫度的交集，將這個(gè)交集作為試驗設定的基準。經(jīng)查詢(xún)接收板和開(kāi)關(guān)板的與溫度相關(guān)的元器件為光電開(kāi)關(guān)和二極管，螺釘、板件連線(xiàn)以及碳膜電阻在圖紙上均無(wú)溫度要求;開(kāi)關(guān)盒可耐200℃高溫(非明火)。僅剩光電開(kāi)關(guān)以及二極管的溫度作為參考，具體數據如表2所示。

　　由此可見(jiàn)，實(shí)驗溫度低溫設置不宜低于-20℃，高溫不宜超過(guò)75℃(開(kāi)關(guān)板300070000001不宜超過(guò)85℃)。高低溫循環(huán)試驗過(guò)程如圖3所示。

　　圖3中各參數含義如下：

　　A——第一個(gè)循環(huán)開(kāi)始;

　　B——第一個(gè)循環(huán)結束，第二個(gè)循環(huán)開(kāi)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(shí)間;

　　t2——低溫升至高溫所用時(shí)間;

　　t3——高溫存儲時(shí)間;

　　t4——高溫降至低溫所用時(shí)間(在實(shí)際試驗中t2

　　現制定試驗要求如下：

　　TA=-10℃;

　　TB=50℃;

　　t1=t3=30min;

　　20min≤t2≤30min;

　　40min≤t4≤50min。

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

　　方案1：試驗周期為1;試驗時(shí)間為1小時(shí)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(shí)間為2小時(shí)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(shí)驗時(shí)間為4小時(shí);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(shí)間較長(cháng)，但4小時(shí)可滿(mǎn)足現有生產(chǎn)周期(4小時(shí)為現有老化時(shí)間)，因此循環(huán)可執行3次。而在物料處于敏感時(shí)期，則可增加循環(huán)次數或者適當提高試驗溫度(根據對應的板，不宜超過(guò)該板上元器件的極限溫度)。

　　常溫下恢復1h，外觀(guān)檢驗無(wú)異常，性能參數應符合將光電開(kāi)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應符合技術(shù)圖紙的要求，若測試出現故障品，每一單故障品都要經(jīng)過(guò)篩選專(zhuān)業(yè)分析，給出最確切的結果，制定相應的物料調整，確保所生產(chǎn)的產(chǎn)品均為使用壽命長(cháng)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

4 后續老化試驗方向

　　目前的可靠性試驗條件單一，篩選度較理論值比仍然較低，后續方向應該以通電老化+溫度調節+動(dòng)態(tài)測試的模式。通電老化是為了以光電開(kāi)關(guān)的真實(shí)工作下作為模擬環(huán)境;利用溫度變化沖擊來(lái)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(shí)間;部分故障現象在老化過(guò)程中可能出現，但當樣品放置在室溫恢復后，故障現象可能消失，增加動(dòng)態(tài)測試可篩選出一部分潛在的故障。

　　參考文獻：

　　[1]胡湘洪,高軍,李勁.可靠性試驗[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015,10.

　　[2]馬海川,李彩霞.加速壽命試驗數據分析[M].石家莊:河北科學(xué)技術(shù)出版社,1998.

　　[3]茆詩(shī)松,王玲玲.加速壽命試驗[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

　　[4]陳盾,張春華.加速試驗技術(shù)的研究、應用與發(fā)展[J].機械工程學(xué)報,2009,45(8):130-136.

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