固態繼電器結構可靠性研究與應用

　　李?帥，張秀鳳

　　（格力電器（合肥）有限公司，安徽 合肥 230088）

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

　　關鍵詞：固態繼電器；金線；彎曲；器件結構

　　0 引言

　　固態繼電器(Solidstate Relays，SSR)是一種全部由固態電子元器件組成的新型無觸點開關器件，它利用電子元件(如發光二極管、雙向可控硅等半導體器件)的開關特性，將可控硅和光耦結合，把功率驅動、功率調節、高低壓隔離三個特點集成到一起。當輸出端導通時，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，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關”。SSR實現弱信號(Vsr)對強電(輸出端負載電壓)的控制。本文從SSR失效機理、失效因素等方面進行分析，其整改方案思路可以為其他SSR廠家失效分析整改提供借鑒、參考意義。

　　1 事件背景

　　空調用固態繼電器引入A廠家器件后，售后工作可靠性表現不佳，通過X-RAY觀察發現內部金線變形及綁定不良現象嚴重（如表1） ，同樣過程通過全檢也能發現金線綁定不良，問題急需進行攻克解決。

　　2 IPM失效原因及失效機理分析

　　對固態繼電器原理圖及實物圖（如圖1 和圖2）核實，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。固態繼電器通過輸入端發光二極管發射，通過光電感應控制6、8腳高壓輸出，來控制空調室內機電機的轉速。

　　對固態繼電器進行X-RAY觀察，A廠家固態繼電器結構是金線綁定進行1引腳與3、4引腳短路（如圖3），B廠家固態繼電器是銅基板直接連接實現1引腳與3、4引腳短路（如圖4）。通過圖3、圖4對比，能明顯發現金線綁定結構與銅框架一體結構現象，通過X-RAY觀察確定A廠家與B廠家輸入端結構存在不同。

　　對A廠家、B廠家固態繼電器進行開封，發現固態繼電器發射極A廠家與B廠家結構有所不同。A廠家結構為1引腳與3、4引腳通過金線綁定連接（如圖5），B廠家結構1引腳與3、4引腳是銅框架一體結構（如圖6），由于后工序進行封裝樹脂流動、過程周轉抖動及其他異常，導致輸入端1引腳與3、4引腳金線綁定的變形及框架形變的異常現象。

　　對A廠家固態繼電器開封后觀察金線綁定結構，發現由于綁定金線過長，在封裝時樹脂流動已經導致金線變形。B廠家由于結構的穩定性，開封后觀察不存在此類現象（如圖7）。

　　3 固態繼電器失效整改措

　　施整改措施將固態繼電器的輸入端結構進行調整，對固態繼電器1引腳與3、4引腳的金線綁定結構進行更改，改成與B廠家結構一致，使得1引腳與3、4引腳銅基板直接連接，實現發射極端1、3、4引腳框架結構一體化，一體化后同樣實現直接短路，同時增加框架在生產過程的穩定性（如圖8）。

　　4 整改效果驗證

　　整改后制品外觀上無差別，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。

　　核實內部結構狀態，整改后制品輸入端結構進行優化，輸入端1引腳與3、4引腳由金線綁定改成一體化結構（如圖9。其中，標注①為發光二極管金線綁定，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。更改后避免了固態繼電器在生產過程中因樹脂流動、過程周轉抖動及其它異常，導致輸入端1引腳與3、4引腳金線綁定的變形及框架形變的異常現象。

　　由于對輸入端弱電部分結構進行調整，器件半導體未做任何改動，使用原來的發光二極管、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異常。

　　5 固態繼電器失效整改總結及意義

　　通過對A廠家SSR產品單體結構分析，并從SSR失效機理、失效因素、器件結構可靠性等多方面進行核實，同步對B廠家SSR產品單體結構可靠性對比論證，發現需從器件本身進行整改。對不同廠家SSR結構進行對比分析，從其他SSR優點結構部分進行吸收優化，對分析評估SSR結構調整優化可以達到的借鑒要求，來提高產品可靠性，整改后效果明顯。

　　通過此次整改，器件引入開發時需對器件單體可靠性進行詳細有效測試評估，通過與不同廠家對比結構分析，提煉不同廠家結構優勢，進行推動優化結構，以提高產品的結構可靠性，同步降低過程應用及售后失效率。

　　參考文獻

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　　作者簡介：

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

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第8期第72頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處