變頻空調IPM可靠性研究與應用

　　黎長(cháng)源，李帥，項永金（格力電器（合肥）有限公司，安徽 合肥 230088）

　　摘要：針對空調用IPM模塊生產(chǎn)過(guò)程及運輸周轉過(guò)程中出現IPM本體開(kāi)裂問(wèn)題，本文從IPM失效機理、器件結構工藝設計、器件應用環(huán)境設計質(zhì)量可靠性等方面進(jìn)行分析。通過(guò)器件失效機理、結構對比、X光、機械應力測試等對IPM器件本體全方位分析論斷，分析結果表明：IPM整體結構設計存在質(zhì)量缺陷，IPM抗機械應力強度水平低，在實(shí)際應用環(huán)境中以較高的可靠性工作，本次IPM物理機械失效與器件本身設計質(zhì)量缺陷存在較大關(guān)聯(lián)；從器件本身可靠性設計、本體結構性設計、內部結構布局設計全面整改，從器件本身質(zhì)量提升著(zhù)手，進(jìn)行全面、系統化提升器件質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：變頻空調；IPM；開(kāi)裂；器件結構；機械應力

　　0 引言

　　變頻空調是時(shí)代發(fā)展趨勢，空調除了具有基本的制冷、制熱功能外，空調節能、環(huán)保、舒適性也是新時(shí)代發(fā)展要求。變頻空調核心控制部分控制器是由多電路模塊組成，在實(shí)現變頻技術(shù)控制方面IPM起著(zhù)不可或缺的作用，以實(shí)現空調頻率可調、可控。IPM將直流電轉換為模擬可控交流電控制壓縮機以不同的頻率進(jìn)行運轉，完成空調快速制冷、制熱目標，實(shí)現這些要求IPM設計質(zhì)量和工作可靠性都要高。近年來(lái)，家用空調用M廠(chǎng)家

IPM過(guò)程及售后物理機械失效非常突出，為典型的IPM結構設計質(zhì)量缺陷。為了從根本上分析導致IPM開(kāi)裂失效原因，本文從IPM失效機理、失效因素、器件應用環(huán)境、器件整機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(lèi)IPM物料失效分析整改提供借鑒及參考意義。

　　1 事件背景

　　變頻空調引入使用M廠(chǎng)家A編碼IPM在售后實(shí)際工作可靠性表現并不很好，用戶(hù)開(kāi)機使用出現壓縮機不啟動(dòng)現象，售后使用時(shí)間較短均在半個(gè)月之內，核實(shí)電器盒上A編碼模塊出現本體從中間斷裂現象（如表1 2018年上半年M廠(chǎng)家A編碼模塊失效總體數據），問(wèn)題急需進(jìn)行攻克解決。

　　2 IPM失效原因及失效機理分析

　　IPM模塊開(kāi)裂失效主要集中在M廠(chǎng)家A編碼，且在售后使用時(shí)間較短均在半個(gè)月之內失效，對電器盒拆解查看，發(fā)現IPM本體已經(jīng)開(kāi)裂。斷裂位置一致（如圖1IPM開(kāi)裂失效外觀(guān)及X-ray圖片），具體是因何種原因失效，是IPM封裝材質(zhì)問(wèn)題、結構設計質(zhì)量問(wèn)題，還是實(shí)際應用環(huán)境影響導致，針對問(wèn)題我們展開(kāi)失效原因相關(guān)分析驗證工作。

　　2.1 控制器結構差異點(diǎn)

　　經(jīng)過(guò)查詢(xún)M廠(chǎng)家A編碼對應控制器有30多款，但與PFC電感搭配使用僅3款（售后出問(wèn)題的，早前生產(chǎn)未帶PFC電感均未發(fā)現過(guò)）,由于PFC電感較重，認為增加后對控制器板的強度有一定的影響（如圖2）。

　　2.2 物料一致性問(wèn)題

　　2.2.1 內部情況對比：通過(guò)X-ray測試內部結構無(wú)異常（如圖3）。

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

　　2.2.3 灰分與熱重測試對比：M廠(chǎng)家A編碼與N廠(chǎng)家A編碼的揮發(fā)與熱重測試（如表3）數據接近。

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

　　2.3 與其他廠(chǎng)家模塊對比

　　通過(guò)對壓縮機模塊三個(gè)廠(chǎng)家外觀(guān)尺寸的對比，發(fā)現以下問(wèn)題。

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

　　2.3.2 M廠(chǎng)家A編碼打螺釘位置的孔位，固定在散熱器上面，強電和弱電不對稱(chēng)，受到機械應力時(shí)受力不對稱(chēng)。

　　2.3.3 通過(guò)取M廠(chǎng)家A編碼實(shí)物外觀(guān)查看，在M廠(chǎng)家A編碼的散熱面，靠弱電斷裂側有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(chǎng)家A編碼實(shí)物)。

　　2.4 跌落實(shí)驗驗證

　　2.4.1 單體電器盒跌落實(shí)驗：故障未復現

　　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IPM模塊存在開(kāi)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（側面），跌落后功率器件存在變形情況，但未發(fā)現IPM模塊存在開(kāi)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（標準為：6±0.2）mm，按1.5 m高度進(jìn)行跌落，跌落后均出現功率器件引腳變形但器件未開(kāi)裂情況。

　　2.4.2 整機跌落實(shí)驗：3.9m高跌落實(shí)驗復現

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

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

　　分析小結：從模擬摔機情況看，整機外觀(guān)與控制器等整體都出現不同程度變形,與售后回訪(fǎng)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(shuō)明售后出現的模塊破損與整機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 器件自身結構改進(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)于加強空調成品裝卸、安裝過(guò)程的管控要求空調從出庫到客戶(hù)的安裝流程中，涉及此流程的電商管理部、經(jīng)營(yíng)部、成品庫、客服中心、各銷(xiāo)售公司及安裝網(wǎng)點(diǎn)，須加強對員工的培訓教育，運輸周轉及安裝過(guò)程中嚴禁出現摔機、高空扔機等現象。

　　4 整改效果評估及應用效果驗證

　　4.1 新舊制品外觀(guān)上區別

　　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度，左邊舊制品，右邊新制品（如圖12）。

　　4.2 X-ray核實(shí)內部線(xiàn)路狀態(tài)

　　1) 弱電線(xiàn)路部分：新舊制品線(xiàn)路一致。

　　2) 強電線(xiàn)路部分：新制品線(xiàn)路做更改，對引腳與塑封接觸部分改成T字結構，增加接觸面積，提升IPM抗機械強度能力（如圖13，圖14 ）。

　　4.3 M廠(chǎng)家A編碼模塊抗強度測試驗證

　　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，結果見(jiàn)表5，更改后制品抗彎曲強度明顯提高。

　　4.3.1 M廠(chǎng)家A編碼模塊新舊制品在管腳性能參數，極限參數一致。對裝配整機性能測試及跌落試驗驗證無(wú)異常。

　　5 IPM失效整改總結及意義

　　通過(guò)產(chǎn)品實(shí)際應用過(guò)程中的問(wèn)題反饋信息及器件單體驗證分析，本文從IPM失效機理、失效因素、器件應用環(huán)境、器件裝配可靠性等多方面進(jìn)行分析，通過(guò)對器件單體可靠性，及整機進(jìn)行驗證，IPM耐抗機械強度為700N以上，需要從器件本身進(jìn)行整改，IPM耐抗機械強度分析因素進(jìn)行分析探索研究，綜合分析評估IPM結構調整可以達到此要求。

　　本體調整M廠(chǎng)家A編碼模塊結構，在原有的標準上表5 新舊制品抗彎曲強度測試對比表序號 樣品狀態(tài) 測試數據（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抗機械強度應力，從而改善產(chǎn)品質(zhì)量，更改后制品極限抗彎曲強度由7 0 0 N 提 高 到2000N以上，效果明顯。

　　通 過(guò) 此 次 整改，器件引入開(kāi)發(fā)時(shí)需對器件單體及應用電路、工作環(huán)境等進(jìn)行詳 細 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抗強度測試評估要求納入入廠(chǎng)檢標準，可提前測試把關(guān)提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高IPM應用的可靠性，降低過(guò)程及應用中后失效率。

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　　作者簡(jiǎn)介：

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

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