貼片蜂鳴器功能可靠性研究

1   引言

蜂鳴器是一種一體化構造的電子訊響器，能發(fā)出蜜蜂一樣喻叫的聲音，當然發(fā)出的聲音比蜜蜂叫聲響得多。采用直流電壓供電，普遍應用于計算機、打印機、報警器、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中做發(fā)聲器件。

蜂鳴器分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器，在此我們是圍繞壓電式蜂鳴器展開(kāi)講述的，壓電式蜂鳴器主要組成結構有多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成，當接通電源后（1.5-15 V 直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5-2.5 kHz 的音頻信號，阻抗匹配器推進(jìn)壓電蜂鳴片進(jìn)行發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成，在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處置后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起?？照{主板上使用的多為單面結構的發(fā)聲單元。即用一片圓形壓電元件和金屬片等組合而成。把其固定在一個(gè)腔體內，就形成壓電陶瓷蜂鳴器。

目前，空調用蜂鳴器幾乎都采用壓電陶瓷片，其具有壓電效應。即壓電陶瓷片在受力作用后，其厚度上發(fā)生機械變形，導致其表面上出現電荷或在其電極上產(chǎn)生電位差，當陶瓷蜂鳴器施加一個(gè)壓電片的極化方向相同的電壓時(shí)，則極化強度增強，陶瓷片就沿徑向伸長(cháng)。反之，當外加電壓方向與陶瓷片極化方向相反時(shí)，極化強度減弱，陶瓷片就沿徑向收縮。即“電致伸縮”現象。由于粘膠在陶瓷片上的金屬片既不擴張也不收縮。當陶瓷片產(chǎn)生“電致伸縮”現象時(shí)陶瓷片徑向伸縮變?yōu)閺澢駝?dòng)。當陶瓷片產(chǎn)生時(shí)大時(shí)小，時(shí)上時(shí)下的振動(dòng)，前期周?chē)目諝獍l(fā)出相應的聲波，當聲波與共振腔體產(chǎn)生共振時(shí)，就可以聽(tīng)到比較大的聲音了。

圖1 壓電陶瓷蜂鳴器基本構造

2   失靈原因及失效機理分析

貼片蜂鳴器通過(guò)貼裝焊接組裝后，經(jīng)過(guò)在線(xiàn)電測出現大量蜂鳴器開(kāi)短路異常，通過(guò)對異常品的解剖、X 光、模擬實(shí)驗等大量異常數據樣本的比對分析，發(fā)現其故障現象存在以下3 個(gè)方面影響。

圖2 異常數據樣本的比對

（1）廠(chǎng)家制作過(guò)程工藝粗糙引起的故障不良，如蜂鳴器焊盤(pán)與壓電片間漏焊接，僅用膠水固定，連接不穩定，測試過(guò)程呈現開(kāi)路現象。廠(chǎng)家焊接出現虛焊冷焊，周轉及使用過(guò)程出現脫焊，焊料使用不當，膜片異物等制程低級問(wèn)題如下圖3。

圖3 產(chǎn)品生產(chǎn)制作過(guò)程造成產(chǎn)品缺陷問(wèn)題

供應商生產(chǎn)產(chǎn)品本身質(zhì)量可靠性差，同時(shí)相應的質(zhì)量監控手段缺乏，需完善提高。

（2）器件受熱環(huán)境不同引發(fā)故障率上漲，核查該蜂鳴器共使用在四款線(xiàn)控器上，其中1 款貼裝面在B 面（雙面板的第二次回流焊接面）使用過(guò)程僅承受一遍回流焊溫度影響，其他3 款的貼裝面在A(yíng) 面，第一次回流焊接便進(jìn)行了貼裝，在使用過(guò)程中需承受兩遍回流焊溫度影響（回流焊峰值溫度達245±5 ℃，器件通過(guò)波峰焊時(shí)不涉及焊接，所受溫度影響可忽略）。通過(guò)對此類(lèi)下線(xiàn)樣品的復核，發(fā)現其失效形式主要為漆包線(xiàn)漆膜脫落，與另一根漆包線(xiàn)或壓電片電極產(chǎn)生短路。

通過(guò)統計各款線(xiàn)控器的總制作數及其因材質(zhì)受熱產(chǎn)生故障的總下線(xiàn)故障率后發(fā)現，承受一遍回流焊溫度影響的蜂鳴器下線(xiàn)率要遠低于承受兩遍回流焊接溫度影響的的蜂鳴器?？梢?jiàn)通過(guò)回流焊次數對蜂鳴器本身材質(zhì)的耐熱性能存在明顯的關(guān)聯(lián)，如圖4。

圖4 回流焊次數對蜂鳴器材質(zhì)耐熱性能的影響

圖5 X光透視內部開(kāi)裂情況

表1 核查該款蜂鳴器使用對應主板焊接受熱情況及下線(xiàn)數據對比

備注：該處下線(xiàn)數僅針對復核分析故障原因為膜片開(kāi)裂或漆包線(xiàn)漆膜融化短路故障品

（3）蜂鳴器內部壓電片制作過(guò)程中未注重環(huán)境溫濕度管控導致壓合殘留水汽，經(jīng)使用過(guò)程回流焊受高溫膨脹引起陶瓷層產(chǎn)生開(kāi)裂；蜂鳴片生產(chǎn)過(guò)程中，陶瓷層與基片膠合制程作業(yè)現場(chǎng)環(huán)境濕度過(guò)高，膠水中吸附濕氣，導致膠合后中間粘結層存在氣泡，在產(chǎn)品經(jīng)過(guò)使用端回流焊高溫時(shí)，陶瓷底部膠水層的氣泡受高溫影響膨脹，將陶瓷層頂開(kāi)裂，最終引起不良發(fā)生；生產(chǎn)使用過(guò)程回流焊接物料受熱溫度急劇上升（240±5 ℃），水汽膨脹造成彈片開(kāi)裂，陶瓷膜片開(kāi)裂形變錯位造成上下電極接觸形成短路或不穩定短路以及電容值小故障。故障蜂鳴器解剖后陶瓷膜片情況如圖6。

圖6 故障蜂鳴器解剖后陶瓷膜片情況

圖7 通過(guò)X光透視內部開(kāi)裂情況

這表明，蜂鳴器的故障受以下三個(gè)因素影響：

供應商粗糙的加工工藝和不受控的質(zhì)量保障；

蜂鳴器本身材質(zhì)耐焊接熱水平偏差；

蜂鳴器生產(chǎn)加工時(shí)未注重環(huán)境溫濕度管控。

3   可靠性提升

方案一：生產(chǎn)制造工藝及控制加嚴

針對點(diǎn)焊機漏焊、焊點(diǎn)異常過(guò)程有效控制，制作過(guò)程調整點(diǎn)焊機設置，將點(diǎn)焊機的計數調整為整條工裝蜂鳴片的數量20 片，點(diǎn)焊時(shí)設備在進(jìn)行20 片時(shí)會(huì )進(jìn)行報警提示，防止整條工裝中個(gè)別未點(diǎn)焊。同時(shí)，針對蜂鳴片點(diǎn)焊質(zhì)量檢查由人工檢查更改為CCD 的放大全檢，通過(guò)放大將點(diǎn)焊不良以及打膠不良進(jìn)行挑出。并將控制要求添加入作業(yè)指導書(shū)知道現場(chǎng)生產(chǎn)。出貨加嚴抽檢，批量驗證未出現低級制作問(wèn)題引發(fā)的生產(chǎn)下線(xiàn)。

優(yōu)化手操器回流焊接工藝流程，調整器件位置，首先從多次焊接受熱方面降低影響，并同時(shí)提升核心材料耐熱性能。

1. 通過(guò)優(yōu)化電路及整體線(xiàn)控器設計，將蜂鳴器調整至B 面焊接，減少焊接受熱次數。

2. 將內部漆包線(xiàn)材質(zhì)更換成耐熱性能更佳的型號，由P180 改為E180，提升漆包線(xiàn)承受焊接溫度能力。

針對環(huán)境濕氣引起蜂鳴片過(guò)回流焊升溫膨脹開(kāi)裂，制定以下措施進(jìn)行整改優(yōu)化。

1. 針對陶瓷片膠合生產(chǎn)車(chē)間增強房間密封性，隔層玻璃由單層更改為雙層，同時(shí)增加除濕機空調等設施。將制作加工環(huán)境溫度恒定在18-28 ℃，40-70% RH 條件下。

2. 物料來(lái)料包裝形式由普通的編帶包裝更改為真空包裝，且內置干燥劑和濕度卡，確保物料中途不會(huì )再次受潮。

3. 出貨前100% 電測，進(jìn)行回流焊測試，并且在點(diǎn)焊前增加120 ℃高溫烘烤4 小時(shí)，確保最大程度在高溫下將不良催化在內部發(fā)生出來(lái)。

表2 工藝流程優(yōu)化前后對比

4   結語(yǔ)

本文結合大量失效品分析，對我司貼片蜂鳴器失效原因及失效機理進(jìn)行分析，分析結果表明貼片蜂鳴器耐焊接能力差且制程工藝受人為因素影響大，制造工藝問(wèn)題突出。過(guò)程使用焊接熱加工容易引起器件產(chǎn)生失效。經(jīng)過(guò)對貼片蜂鳴器的失效機理分析，確定采取優(yōu)化過(guò)程生產(chǎn)工藝和提升貼片蜂鳴器材質(zhì)耐焊接熱能力，經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗驗證可以大幅度提高貼片蜂鳴器的耐焊接熱性能及可靠性。同時(shí)提升供應商制程環(huán)境溫濕度管控水平，避免陶瓷片二次受熱開(kāi)裂。從器件本身和加工使用過(guò)程兩方面入手，該整改思路可靠，相關(guān)整改方案已經(jīng)得到實(shí)際跟蹤驗證，貼片蜂鳴器質(zhì)量可靠性得到有效提升，該整改思路及可靠性提升方案行業(yè)均可借鑒。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期）