關于空調用接收板、開關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，質量管理員，研究方向：控制器作可靠性。

摘要：開關板和接收板是空調運動部件的重要結構之一，整個PCB板上的元器件僅包含光電開關、電阻和二極管，但光電開關售后失效較高。為能夠提前將易失效的元器件篩選出來，降低開關板和接收板的售后故障率，對現有實驗條件以及結合開關板和接收板上的元器件參數進行試驗條件分析，確定目前能夠實現的最佳試驗條件。

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，以求提高產品可靠性。2016年全年的開關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年售后下線共計20單，遠超老化發現異常數，試驗的目的遠遠沒有達到。

1 實驗弊端

　　現將查到的資料與我司現在可靠性試驗進行對比，發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驗空間越小時體現越明顯，現在試驗參數僅有時間與溫度兩項，忽略樣品數量這一參數(本身試驗數量和試驗時間是動態變化的，即在篩選度一定的情況下，老化樣品數量越多，所需時間越短)。

1.2 試驗條件固定

　　現有試驗統一按照50℃/4H進行，但實際需根據具體試驗樣品因素進行調整。試驗時間需要考慮樣品參數及數量和產品實際狀態進行調整，試驗溫度也需要考慮產品的工作溫度和極限溫度，即使同一編碼的物料，不同廠家生產的元器件極限溫度也會有差別，例如用在接收板和開關板上的二極管(編碼為35030152)，結溫與儲存溫度均有差別，詳見表1。

1.3 篩選度低

　　現有光電開關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

　　可靠性試驗是通過施加典型環境應力和工作載荷的方式，用于剔除產品早期缺陷、增長或測試產品可靠性水平、檢驗產品可靠性指標、評估產品壽命指標的一種有效手段。可根據需要達到的目的，在產品的設計、研制、生產和使用手段，開展不同類型的可靠性試驗?？煽啃栽囼烅椖績热萑鐖D1所示。

　　而我們對于目前生產的開關板和接收板進行的是環境應力篩選試驗。

　　環境應力篩選的目的：在產品交付使用前發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。

　　環境應力篩選的適用對象：主要適用電子產品(包括元器件、組件和設備)，也可用于電氣、機電、光電和電化學產品。

　　環境應力篩選的適用時機：產品的研制階段、生產階段和大修過程。

　　常見的環境應力篩選試驗有恒定高溫試驗、冷熱沖擊試驗、振動試驗、潮態試驗等，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)。光電開關目前的老化試驗為50℃，4小時，屬于恒定高溫老化。而光電開關在特殊情況下也會做冷熱沖擊試驗，下面將對這兩個試驗進行專項分析和對比，更加直觀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間。

　　設定老化實驗的溫度時，應考慮樣品本身的承受能力以及老化實驗箱的誤差。

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

　　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，產品可靠性越高，產品失效分為產品整體失效和產品組件失效，此處失效定為產品組件失效;

　　a：信心度;

　　r：允許失效數(在沒有產品失效時n取1);

　　最終計算出的測試時間為所有樣品共用的時間，即：

　　T=n*t (3)

　　其中，n為樣品數，t為每個樣品數所用的時間。時間T與樣品數n成反比，但樣品數也不宜過多，防止擠壓導致其元器件破損或暗裂。

2.2 高低溫循環試驗

　　利用熱脹冷縮原理，進行高低溫循環試驗，可以檢測出光電開關內部焊接不良問題。高低溫循環實驗篩選度：

　　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為溫度循環中溫度變化率，N為溫度循環次數。

　　試驗條件：50℃/1H、-10℃/1H，經了解，溫度由50℃變為-10℃時間約為半個小時，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℃變為-20℃時間約為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。

　　高低溫循環試驗的篩選度與循環次數的關系要高于與老化試驗半個周期時間的關系，而老化試驗箱的溫度變化率則隨著設置的高低溫而改變，且溫度由低溫到高溫變化的時間要比由高溫到低溫的時間長。因此在設計高低溫循環老化試驗時會著重考慮高低溫設置、循環次數，試驗方案需先進行低溫，再進行高溫，保證元器件在老化試驗箱中符合設定溫度的狀態滿足所設置的時間條件。

　　另外，上述高低溫循環試驗僅僅進行了一個周期的循環，若增加一個循環，將試驗條件定為高溫50℃、低溫-10℃，高溫和低溫各1小時，循環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 開關板、接收板老化實驗初步方案制定

　　由上述分析可知，高低溫循環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，也要考慮樣品元器件的極限溫度， 在老化接收板和開關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考慮，求出元器件溫度的交集，將這個交集作為試驗設定的基準。經查詢接收板和開關板的與溫度相關的元器件為光電開關和二極管，螺釘、板件連線以及碳膜電阻在圖紙上均無溫度要求;開關盒可耐200℃高溫(非明火)。僅剩光電開關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，實驗溫度低溫設置不宜低于-20℃，高溫不宜超過75℃(開關板300070000001不宜超過85℃)。高低溫循環試驗過程如圖3所示。

　　圖3中各參數含義如下：

　　A——第一個循環開始;

　　B——第一個循環結束，第二個循環開始;

　　TA——試驗條件要求的低溫環境;

　　TB——試驗條件要求的高溫環境;

　　t1——低溫存儲時間;

　　t2——低溫升至高溫所用時間;

　　t3——高溫存儲時間;

　　t4——高溫降至低溫所用時間(在實際試驗中t2

　　現制定試驗要求如下：

　　TA=-10℃;

　　TB=50℃;

　　t1=t3=30min;

　　20min≤t2≤30min;

　　40min≤t4≤50min。

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

　　方案1：試驗周期為1;試驗時間為1小時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;試驗時間為2小時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;實驗時間為4小時;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，雖老化時間較長，但4小時可滿足現有生產周期(4小時為現有老化時間)，因此循環可執行3次。而在物料處于敏感時期，則可增加循環次數或者適當提高試驗溫度(根據對應的板，不宜超過該板上元器件的極限溫度)。

　　常溫下恢復1h，外觀檢驗無異常，性能參數應符合將光電開關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圖紙的要求，若測試出現故障品，每一單故障品都要經過篩選專業分析，給出最確切的結果，制定相應的物料調整，確保所生產的產品均為使用壽命長的優質產品。

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+動態測試的模式。通電老化是為了以光電開關的真實工作下作為模擬環境;利用溫度變化沖擊來加重環境對產品的影響，縮短性能較差的產品失效的時間;部分故障現象在老化過程中可能出現，但當樣品放置在室溫恢復后，故障現象可能消失，增加動態測試可篩選出一部分潛在的故障。

　　參考文獻：

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

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第11期第47頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。