光電編碼器主芯片失效分析與防護

0   引言

光電編碼器是一種旋轉式位置傳感器，在現代工業(yè)機器人等系統中廣泛應用于角位移或角速率的測量與轉換成電信號的一種裝置^[1-2]，包含光電碼盤(pán)及信號采集、讀取、編碼、邏輯運算等不同控制模塊的電路板。

隨著(zhù)半導體芯片進(jìn)一步向高速化、高集成化方向發(fā)展，各類(lèi)控制模塊電路板的芯片焊盤(pán)（pad）都向窄節距、小尺寸方向發(fā)展，I/O 端子數、安裝級數和布線(xiàn)密度均大幅度增加^[3]，高密度化、高速信號、高功率輸出對電路板的封裝與散熱結構提出更為苛刻的要求，各廠(chǎng)家普遍采取O 型圈密封、三防膠、高效散熱器或半導體冷卻等聯(lián)合來(lái)實(shí)現防潮與降低工作溫度。但類(lèi)似結構具有良好密封與防潮同時(shí)，也帶來(lái)了內部工作環(huán)境密閉，其各類(lèi)電子元器件、塑料密封件、散熱片、潤滑脂、防潮涂層等逸出的腐蝕性氣體聚集積累，在一定相對濕度條件下冷凝產(chǎn)生“硫化”腐蝕等失效。

本次圍繞某公司一款工業(yè)機器人編碼器（三洋電氣定制）長(cháng)期服役后主芯片失效案例，運用宏觀(guān)、體視顯微鏡、EDS 能譜、逸出氣分析（EGA,TG/MS 聯(lián)用)、面掃描、濕熱驗證等檢測與試驗手段開(kāi)展分析、整改與驗證，供類(lèi)似工況環(huán)境、結構與工藝等的匹配設計時(shí)借鑒參考。

1   失效現象

格力電器空調總裝分廠(chǎng)使用23 臺某品牌工業(yè)機器人，進(jìn)行空調成品下線(xiàn)碼垛，役齡2 至5 年（實(shí)際服役11 688~21 400 h），陸續出現E0036 編碼器異常報警，故障位置集中于服役時(shí)動(dòng)作較為頻繁的第二軸、第三軸伺服電機編碼器，報警后機器人無(wú)法動(dòng)作，造成生產(chǎn)線(xiàn)停線(xiàn)1 h 以上。

顯示報警信息：

編碼器異常：E0036 Encoder Initialize error.UNITI:

LP180-01：J2（-：-：0001）

Error occurs when fault is detected in the encoder.

2   現場(chǎng)分析與檢修

現場(chǎng)對報警機器人對應關(guān)節進(jìn)行編碼器復位、重新校正原點(diǎn)操作，故障均無(wú)法消除，機器人臂軸無(wú)法動(dòng)作。按機器人操作說(shuō)明書(shū)，采取置換報警對應臂軸編碼器，重新校正原點(diǎn)后故障均解除。雖然異常報警發(fā)生在機器人J1、J2、J3 不同軸臂，但現場(chǎng)使用新編碼器替換，確認失效編碼器為同一型號（PA035-017BC00L-S），為三洋電氣品牌的定制產(chǎn)品。

對機器人本體維保執行、記錄情況檢查：①每天采用潮濕的抹布、中壓空氣等，進(jìn)行的本體清潔、維護；②軸制動(dòng)測試；③按周期要求進(jìn)行潤滑、運行順暢測試。

確認結果：維保操作、要點(diǎn)理解、執行與記錄等，無(wú)異常。

3   理化檢驗

3.1 宏觀(guān)檢驗

拆卸多臺故障機器人的編碼器封裝外殼，進(jìn)行內部部件的宏觀(guān)觀(guān)察、分析失效原因，情形如圖1。

圖1 失效編碼器宏觀(guān)檢驗情形

碼盤(pán)部分：未見(jiàn)明顯磨損、臟污、變形等，說(shuō)明光電碼盤(pán)完好。

O 型圈：彈性正常，未見(jiàn)明顯扭曲、老化、開(kāi)裂等異常。

控制電路板：未見(jiàn)由于明顯過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等原因導致的印刷板及元器件損壞，初步判斷可能主控制芯片通訊等故障。

3.2 體視顯微檢驗

在開(kāi)裂處取樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光并且侵蝕后，在顯微鏡下可見(jiàn)裂紋附近存在明顯的腐蝕凹坑，凹坑邊緣組織為退火態(tài)孿晶，說(shuō)明凹坑產(chǎn)生原因為非機械外力，裂紋產(chǎn)生于凹坑減壁明顯處，裂斷處存在輕微晶粒變形。對失效的編碼器控制電路板及主芯片使用體視顯微鏡進(jìn)行微觀(guān)觀(guān)察，發(fā)現編碼器控制模塊運算回路上的主芯片部分引腳根部顏色變化（明顯發(fā)黑），如圖2。

圖2 編碼器主芯片體視顯微像

3.3 EDS能譜分析

試驗材料為失效編碼器主芯片變色（發(fā)黑）芯片引腳。實(shí)驗設備為蔡司LEO EVO50HV 掃描電鏡及美國EDAX 能譜儀，進(jìn)行變色（發(fā)黑）位置點(diǎn)掃描（能譜）分析，結果見(jiàn)圖3、表2。

圖3 主芯片觸點(diǎn)變色（發(fā)黑）異物EDS 能譜

結果分析：對失效編碼器主芯片發(fā)生變色（發(fā)黑）的引腳根部異物進(jìn)行成分分析。正常情況下，驅動(dòng)器主芯片引腳的材質(zhì)為銅Cu 及鎳Sn 鍍層。由圖3、表2 檢測結果發(fā)現，微量Al、Zn、Si、Ca 元素可能來(lái)自工作環(huán)境，而元素S 的含量嚴重超出環(huán)境正常標準，分析為腐蝕析出的硫化物。推斷變色（發(fā)黑）部分是銅受濕熱環(huán)境下硫化的硫化亞銅，而硫化亞銅具有一定導電性^[4]，造成觸點(diǎn)間的短路，與通訊、數據異常的故障現象吻合。

4   “硫化”失效機理分析

4.1 逸出氣分析（EGA）

經(jīng)查閱相關(guān)資料[5-6]，“硫化”是由于于環(huán)境中的硫（S2ˉ）元素通過(guò)擴散、滲透等進(jìn)入驅動(dòng)器主芯片，在一定溫、濕度條件下（熱量促使分子運動(dòng)加?。?，-2 價(jià)的硫與+2 價(jià)的Cu 發(fā)生化學(xué)反應生成黑色Cu2S 的過(guò)程。

為分析驅動(dòng)器主芯片工作環(huán)境中的硫（S2ˉ）元素產(chǎn)生原因。利用熱重法（TG）與氣相色譜/ 質(zhì)譜法（MS）聯(lián)用，定量分析不同工作條件（環(huán)境溫度）下，驅動(dòng)器組成物質(zhì)逸出氣分析（EGA），以排查驅動(dòng)器結構及工藝等方面的原因。

試驗儀器與方法：德國Netzsch 同步熱分析儀STA409PC 和四極質(zhì)譜儀Aeolos QMS403C 組成的TG/MS 聯(lián)用儀系統?？赏瓿蔁嶂?TG) 和差示掃描量熱分析(DSC) 的綜合熱分析（運行最高溫度達1 500 ℃。精度小于1 ℃）。并采取實(shí)時(shí)在線(xiàn)及間歇采樣監測熱化學(xué)過(guò)程中的產(chǎn)物析出。溫度條件下，TG 產(chǎn)物析出后通過(guò)爐膛上部連接的不銹鋼毛細管（300 ℃以上恒溫，防止產(chǎn)物冷凝）進(jìn)入MS 定量分析。

試驗試樣：編碼器控制板拆解零件，包括：基板、傳熱片（除去丙烯層）、傳熱片（丙烯酸酯層）、O 型圈、O 型圈涂抹的潤滑脂、中間部涂抹潤滑脂、軸承潤滑脂（EA7）、 軸承密封件。

試驗條件：采用升溫速率為5 ℃ /min， 載氣為20 mL/min 的干燥壓縮空氣（壓力露點(diǎn)低于-40 ℃）。試驗初始溫度為35 ℃，終溫為85 ℃，每隔5~10 ℃TG/MS 在線(xiàn)采樣分析。

4.2 結果與討論

在分析逸出組分時(shí)采用了歸一法[7], 將各組分的離子流強度峰對析出時(shí)間進(jìn)行積分, 得到各組分在整個(gè)過(guò)程中累積的離子流峰面積。然后, 根據各自的實(shí)裝重量,將進(jìn)樣結果換算為單個(gè)編碼器內部樣品實(shí)際重量對應的逸出氣體量( 表3、4)。

當編碼器內部零部件分解溫度升至85 ℃時(shí)，檢測逸出的硫化氣體含量( 表3)。由表3 得知, 編碼器內部較多零部件會(huì )高溫逸出二硫化碳、二氧化硫等硫化污染氣體，其中以傳熱片（除去丙烯層）、軸承密封件為顯著(zhù)。

當編碼器內部零部件分解溫度在40~85 ℃范圍內，逐步升高并間歇采樣，測得不同溫度下逸出的硫化氣體含量（表4）。由表4 得知, 編碼器內部軸承密封件在60 ℃開(kāi)始逸出微量二硫化碳，并隨著(zhù)溫度提高逐步增加。機器人高負載能達到的85 ℃條件下，傳熱片（除去丙烯層）、軸承密封件等均發(fā)生顯著(zhù)逸出。對表4 各溫度下逸出硫化污染氣體量分別求和^[7]，得到隨負載提升與工作溫度變化，單個(gè)編碼器內部零件硫化污染氣體單位時(shí)間逸出量的變化規律曲線(xiàn)（圖4）。

可見(jiàn)高溫條件下，編碼器內部零部件會(huì )在較短時(shí)間內逸出硫化污染氣體，并由于編碼器較好的密封特性，而形成不斷積聚。在機器人動(dòng)作難度、負載要求較高的情況下^[8]，編碼器控制主芯片IC 發(fā)熱，發(fā)熱溫度可達到80 ℃以上。通過(guò)EGA 實(shí)驗結果表明，此時(shí)會(huì )產(chǎn)生硫化氣體。其中，冷卻IC 的散熱傳熱片（除去丙烯層）與主芯片IC引腳緊密接觸，且銅質(zhì)引腳在高溫與冷卻循環(huán)^[9] 工作中，一定濕熱條件的硫化氣體會(huì )在其上逐步凝結反應成Cu2S，造成編碼器引腳短路、失效、報警。

5   防護及確認

5.1 防止硫化改善

本次光電編碼器主芯片失效是由于內部零件在高負荷下逸出的硫化氣體，并隨后硫化緊密接觸的主芯片IC 引腳。因零件的替換選型意味著(zhù)大量的強度、壽命與可靠性計算與試驗?？梢該Q一種思路，直接對發(fā)生失效的光電編碼器主芯片密集引腳位置采取防護，并加強編碼器吸濕防潮措施，降低內部濕度。從防護引腳硫化與減少冷凝兩方面采取措施。

5.2 防止硫化改善效果確認

為確認保護涂層的防護效果，將編碼器內部電路板（主芯片引腳涂層防護）暴露恒溫恒濕箱中，箱內放置有一定濃度的硫化氣體飽和水溶液，用這種方法得到35 或85 ℃下85% 濕度的氣氛[10]，各20 h 對比試驗后取出。

在本文1.5 試驗設備下，采用面掃描技術(shù)對編碼器主芯片引腳根部位置關(guān)心的化學(xué)元素(C、O、Cu、Si、Sn) 做了元素分布狀態(tài)圖，并利用計算軟件得到合成像結果如圖5 所示。

由圖5，通過(guò)面掃描合成像，可以清晰觀(guān)察到芯片引腳根部是否有硫化亞銅。檢測結果顯示未進(jìn)行防護處理的出現硫化亞銅（圖5(a)），而防護措施可以有效避免（圖5(b)）。

5.3 防潮吸濕措施效果確認

模擬編碼器工作過(guò)程中的發(fā)熱降溫過(guò)程。將編碼器（加強結構防潮、采用低露點(diǎn)氣氛封裝）溫度下降到0 ℃、然后在80 ℃濕度85%RH 保持20 h、然后自然冷卻到室溫^[10]。并在編碼器內部安裝溫度、濕度傳感器，監測試驗中改善前后的編碼器內溫、濕度變化（圖6）。

從圖6 可見(jiàn)，經(jīng)降溫和升溫的溫度循環(huán)，驗證編碼器防止呼吸效應吸潮能力。未采取防潮吸濕措施，降至常溫時(shí)相對濕度達到52%（圖6(a)）。增加防潮吸濕處理編碼器在溫降至常溫時(shí)相對濕度為35%（圖6(b)），實(shí)現了有效的防潮、防冷凝。

6   實(shí)施與確認

故對我司同類(lèi)設備編碼器給予全部有計劃的更換（替換為改善后編碼器），由廠(chǎng)家免費提供新編碼器，并對我司設備保全、維修人員進(jìn)行替換培訓，在后續使用過(guò)程中已全部替換完畢。

統計各空調總裝分廠(chǎng)同類(lèi)機器人設備共計23 臺，每臺設備同型號編碼器3 個(gè)，共計69 個(gè)（單個(gè)編碼器采購價(jià)格約1.2 萬(wàn)元），故障原因分析確認為設備廠(chǎng)家責任（由其負責提供全新編碼器置換），節省備件費用82.8 萬(wàn)元。單次編碼器故障造成停產(chǎn)約1 小時(shí)，單次效率損失約0.2 萬(wàn)元，避免此類(lèi)故障造成效率損失約13.8萬(wàn)元。批量更換后已穩定運行近2 年未再出現同類(lèi)故障。

7   結語(yǔ)

某款光電編碼器主芯片在工業(yè)機器人上2~5 年長(cháng)期服役后，出現多例引腳“硫化”腐蝕導致的短路、通訊與控制失效，為其內部散熱片基材、軸承密封件等零部件在高負載工況下逸出硫化氣體，在主芯片密集引腳位置冷凝聚集反應，產(chǎn)生硫化腐蝕導致。

因零件的替換選型意味著(zhù)大量的強度、壽命與可靠性計算與試驗。采取了主芯片失效引腳涂層防護并加強編碼器吸濕防潮措施。實(shí)施后經(jīng)氣氛暴露、潮態(tài)試驗及長(cháng)期使用驗證，有效預防了“硫化”導致短路、通訊等，并為公司追回了設備備件與停產(chǎn)效益損失。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）