固態(tài)繼電器結構可靠性研究與應用

　　李?帥，張秀鳳

　?。ǜ窳﹄娖鳎ê戏剩┯邢薰?，安徽 合肥 230088）

　　摘?要：針對空調用固態(tài)繼電器因結構不良導致金線(xiàn)彎曲現象，本文從固態(tài)繼電器失效機理、器件結構工藝設計可靠性等方面進(jìn)行分析。通過(guò)器件失效機理、結構對比、X-RAY等對器件進(jìn)行全方位分析論斷，分析結果表明：固態(tài)繼電器結構設計存在質(zhì)量缺陷，在生產(chǎn)過(guò)程中因樹(shù)脂注入黏度，造成金線(xiàn)彎曲現象。本次從器件本身可靠性設計、內部結構布局設計整改，提升器件產(chǎn)品質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：固態(tài)繼電器；金線(xiàn)；彎曲；器件結構

　　0 引言

　　固態(tài)繼電器(Solidstate Relays，SSR)是一種全部由固態(tài)電子元器件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，它利用電子元件(如發(fā)光二極管、雙向可控硅等半導體器件)的開(kāi)關(guān)特性，將可控硅和光耦結合，把功率驅動(dòng)、功率調節、高低壓隔離三個(gè)特點(diǎn)集成到一起。當輸出端導通時(shí)，即使輸入端撤除后，輸出端將仍然導通直至到其兩端電壓降低到0為止，可達到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開(kāi)電路的目的，因此又被稱(chēng)為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)”。SSR實(shí)現弱信號(Vsr)對強電(輸出端負載電壓)的控制。本文從SSR失效機理、失效因素等方面進(jìn)行分析，其整改方案思路可以為其他SSR廠(chǎng)家失效分析整改提供借鑒、參考意義。

　　1 事件背景

　　空調用固態(tài)繼電器引入A廠(chǎng)家器件后，售后工作可靠性表現不佳，通過(guò)X-RAY觀(guān)察發(fā)現內部金線(xiàn)變形及綁定不良現象嚴重（如表1） ，同樣過(guò)程通過(guò)全檢也能發(fā)現金線(xiàn)綁定不良，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

　　對固態(tài)繼電器原理圖及實(shí)物圖（如圖1 和圖2）核實(shí)，從SSR原理圖查看左側1、2、3、4引腳為低電壓輸入端，右側5、6、8為高電壓控制端。固態(tài)繼電器通過(guò)輸入端發(fā)光二極管發(fā)射，通過(guò)光電感應控制6、8腳高壓輸出，來(lái)控制空調室內機電機的轉速。

　　對固態(tài)繼電器進(jìn)行X-RAY觀(guān)察，A廠(chǎng)家固態(tài)繼電器結構是金線(xiàn)綁定進(jìn)行1引腳與3、4引腳短路（如圖3），B廠(chǎng)家固態(tài)繼電器是銅基板直接連接實(shí)現1引腳與3、4引腳短路（如圖4）。通過(guò)圖3、圖4對比，能明顯發(fā)現金線(xiàn)綁定結構與銅框架一體結構現象，通過(guò)X-RAY觀(guān)察確定A廠(chǎng)家與B廠(chǎng)家輸入端結構存在不同。

　　對A廠(chǎng)家、B廠(chǎng)家固態(tài)繼電器進(jìn)行開(kāi)封，發(fā)現固態(tài)繼電器發(fā)射極A廠(chǎng)家與B廠(chǎng)家結構有所不同。A廠(chǎng)家結構為1引腳與3、4引腳通過(guò)金線(xiàn)綁定連接（如圖5），B廠(chǎng)家結構1引腳與3、4引腳是銅框架一體結構（如圖6），由于后工序進(jìn)行封裝樹(shù)脂流動(dòng)、過(guò)程周轉抖動(dòng)及其他異常，導致輸入端1引腳與3、4引腳金線(xiàn)綁定的變形及框架形變的異?，F象。

　　對A廠(chǎng)家固態(tài)繼電器開(kāi)封后觀(guān)察金線(xiàn)綁定結構，發(fā)現由于綁定金線(xiàn)過(guò)長(cháng)，在封裝時(shí)樹(shù)脂流動(dòng)已經(jīng)導致金線(xiàn)變形。B廠(chǎng)家由于結構的穩定性，開(kāi)封后觀(guān)察不存在此類(lèi)現象（如圖7）。

　　3 固態(tài)繼電器失效整改措

　　施整改措施將固態(tài)繼電器的輸入端結構進(jìn)行調整，對固態(tài)繼電器1引腳與3、4引腳的金線(xiàn)綁定結構進(jìn)行更改，改成與B廠(chǎng)家結構一致，使得1引腳與3、4引腳銅基板直接連接，實(shí)現發(fā)射極端1、3、4引腳框架結構一體化，一體化后同樣實(shí)現直接短路，同時(shí)增加框架在生產(chǎn)過(guò)程的穩定性（如圖8）。

　　4 整改效果驗證

　　整改后制品外觀(guān)上無(wú)差別，整改后制品與整改前制品在尺寸、結構等性能參數方面數值保持一致。

　　核實(shí)內部結構狀態(tài)，整改后制品輸入端結構進(jìn)行優(yōu)化，輸入端1引腳與3、4引腳由金線(xiàn)綁定改成一體化結構（如圖9。其中，標注①為發(fā)光二極管金線(xiàn)綁定，標注②為結構更改處，其他部分結構不變），輸出端強電部分結構不變，更改后弱電控制部分各項電性能參數不變。更改后避免了固態(tài)繼電器在生產(chǎn)過(guò)程中因樹(shù)脂流動(dòng)、過(guò)程周轉抖動(dòng)及其它異常，導致輸入端1引腳與3、4引腳金線(xiàn)綁定的變形及框架形變的異?，F象。

　　由于對輸入端弱電部分結構進(jìn)行調整，器件半導體未做任何改動(dòng)，使用原來(lái)的發(fā)光二極管、雙向可控硅等半導體器件，即做結構調整后不影響器件整體性能方面的參數值。同步對整改后新制品在管腳性能參數、極限參數進(jìn)行測試，與整改前制品參數一致。器件單體性能及裝配整機性能測試驗證均無(wú)異常。

　　5 固態(tài)繼電器失效整改總結及意義

　　通過(guò)對A廠(chǎng)家SSR產(chǎn)品單體結構分析，并從SSR失效機理、失效因素、器件結構可靠性等多方面進(jìn)行核實(shí)，同步對B廠(chǎng)家SSR產(chǎn)品單體結構可靠性對比論證，發(fā)現需從器件本身進(jìn)行整改。對不同廠(chǎng)家SSR結構進(jìn)行對比分析，從其他SSR優(yōu)點(diǎn)結構部分進(jìn)行吸收優(yōu)化，對分析評估SSR結構調整優(yōu)化可以達到的借鑒要求，來(lái)提高產(chǎn)品可靠性，整改后效果明顯。

　　通過(guò)此次整改，器件引入開(kāi)發(fā)時(shí)需對器件單體可靠性進(jìn)行詳細有效測試評估，通過(guò)與不同廠(chǎng)家對比結構分析，提煉不同廠(chǎng)家結構優(yōu)勢，進(jìn)行推動(dòng)優(yōu)化結構，以提高產(chǎn)品的結構可靠性，同步降低過(guò)程應用及售后失效率。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　李帥（1988-),男，助理工程師，研究方向：固態(tài)繼電器可靠性技術(shù)研究。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第72頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處