关于空调用接收板、开关板可靠性试验的研究

作者 张秀凤 张成成 刘可江 程磊 格力电器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

张秀凤(1990-)，女，质量管理员，研究方向：控制器作可靠性。

摘要：开关板和接收板是空调运动部件的重要结构之一，整个PCB板上的元器件仅包含光电开关、电阻和二极管，但光电开关售后失效较高。为能够提前将易失效的元器件筛选出来，降低开关板和接收板的售后故障率，对现有实验条件以及结合开关板和接收板上的元器件参数进行试验条件分析，确定目前能够实现的最佳试验条件。

引言

　　元器件可靠性研究一直是我们不断探索和总结的课题，不断加入新的试验条件，不断总结新的试验公式，以求提高产品可靠性。2016年全年的开关板和接收板共计老化307173pcs，仅筛选出4单故障件，所占比例为13.021PPM，而2016年售后下线共计20单，远超老化发现异常数，试验的目的远远没有达到。

1 实验弊端

　　现将查到的资料与我司现在可靠性试验进行对比，发现目前我们试验主要存在以下弊端：

1.1 试验条件缺少样品参数

　　样品数量变化对老化条件的影响在实验空间越小时体现越明显，现在试验参数仅有时间与温度两项，忽略样品数量这一参数(本身试验数量和试验时间是动态变化的，即在筛选度一定的情况下，老化样品数量越多，所需时间越短)。

1.2 试验条件固定

　　现有试验统一按照50℃/4H进行，但实际需根据具体试验样品因素进行调整。试验时间需要考虑样品参数及数量和产品实际状态进行调整，试验温度也需要考虑产品的工作温度和极限温度，即使同一编码的物料，不同厂家生产的元器件极限温度也会有差别，例如用在接收板和开关板上的二极管(编码为35030152)，结温与储存温度均有差别，详见表1。

1.3 筛选度低

　　现有光电开关多数都在做恒定温度试验，所选试验温度在存储范围之内，且不接近存储温度的上限或者下限，无法起到快速筛选出易失效元器件的目的。

2 可靠性试验分析

　　可靠性试验是通过施加典型环境应力和工作载荷的方式，用于剔除产品早期缺陷、增长或测试产品可靠性水平、检验产品可靠性指标、评估产品寿命指标的一种有效手段。可根据需要达到的目的，在产品的设计、研制、生产和使用手段，开展不同类型的可靠性试验。可靠性试验项目内容如图1所示。

　　而我们对于目前生产的开关板和接收板进行的是环境应力筛选试验。

　　环境应力筛选的目的：在产品交付使用前发现和排除不良元器件、制造工艺和其他原因引入的缺陷造成的早期故障。

　　环境应力筛选的适用对象：主要适用电子产品(包括元器件、组件和设备)，也可用于电气、机电、光电和电化学产品。

　　环境应力筛选的适用时机：产品的研制阶段、生产阶段和大修过程。

　　常见的环境应力筛选试验有恒定高温试验、冷热冲击试验、振动试验、潮态试验等，而能够体现试验结果的就是筛选度(所设置的试验条件对样品的筛选的强度，筛选度越大，老化试验效果越好)。光电开关目前的老化试验为50℃，4小时，属于恒定高温老化。而光电开关在特殊情况下也会做冷热冲击试验，下面将对这两个试验进行专项分析和对比，更加直观地明确试验条件的制定。

2.1 恒定高温老化试验

　　恒定高温老化试验筛选度公式为：

　　SS(t)=1-exp{-0.0017(R+0.6)^0.6*t} (1)

　　在该式中的参数含义为：

　　SS(t)：筛选度;R：高温与室温(一般为25℃)的差值;t：恒定高温持续时间。

　　令Y= exp{-0.0017(R+0.6)^0.6*t}，则SS(t)=1-Y，若让SS(t)增加，则Y需减小，Y的函数类型为e^(-x)，其函数图像如图2所示。

　　根据其函数图像可知Y是随X的增大而减小，而X随R、t增加的而增加，所以可得出结论：增加筛选度，就要提高温度和试验时间。

　　设定老化实验的温度时，应考虑样品本身的承受能力以及老化实验箱的误差。

　　继之前的筛选度与老化温度和老化时间的研究，接下来就是确定最佳老化时间。在试验空间很大时，此处可不计入计算，但若在空间很小的试验箱内，则需将此点列入试验条件当中。确定时间公式为：

　　T=AMTBF*0.5X^2(1-a,2(r+1)) (2)

　　在该式中参数含义为：

　　MTBF：平均失效间隔，MTBF值越大，产品可靠性越高，产品失效分为产品整体失效和产品组件失效，此处失效定为产品组件失效;

　　a：信心度;

　　r：允许失效数(在没有产品失效时n取1);

　　最终计算出的测试时间为所有样品共用的时间，即：

　　T=n*t (3)

　　其中，n为样品数，t为每个样品数所用的时间。时间T与样品数n成反比，但样品数也不宜过多，防止挤压导致其元器件破损或暗裂。

2.2 高低温循环试验

　　利用热胀冷缩原理，进行高低温循环试验，可以检测出光电开关内部焊接不良问题。高低温循环实验筛选度：

　　SS(t)=1-exp{-0.0017(R+0.6)^0.6[Ln(e+v) ]^3N} (4)

　　其中，R为高低温之间的温度差，V为温度循环中温度变化率，N为温度循环次数。

　　试验条件：50℃/1H、-10℃/1H，经了解，温度由50℃变为-10℃时间约为半个小时，温度变化率为2，求得其筛选度为SS2=7.18%。

　　试验条件：50℃/4H、-20℃/2H，温度由50℃变为-20℃时间约为50分钟，温度变化率为1.4，求得其筛选度为SS3=6%。

　　由此可以看出，50℃/4h的筛选度(4.65%)最低，而50℃/1H、-10℃/1H的筛选度(7.18%)最高。

　　高低温循环试验的筛选度与循环次数的关系要高于与老化试验半个周期时间的关系，而老化试验箱的温度变化率则随着设置的高低温而改变，且温度由低温到高温变化的时间要比由高温到低温的时间长。因此在设计高低温循环老化试验时会着重考虑高低温设置、循环次数，试验方案需先进行低温，再进行高温，保证元器件在老化试验箱中符合设定温度的状态满足所设置的时间条件。

　　另外，上述高低温循环试验仅仅进行了一个周期的循环，若增加一个循环，将试验条件定为高温50℃、低温-10℃，高温和低温各1小时，循环2次，则筛选度为SS=1-exp{-0.0017(60+0.6)^0.6[Ln(e+2) ]^3*2}=13.84%，筛选度提高近一倍。

3 开关板、接收板老化实验初步方案制定

　　由上述分析可知，高低温循环试验的筛选度明显高于恒定高温的筛选度，而在确定温度时，也要考虑样品元器件的极限温度， 在老化接收板和开关板的试验条件设定中，可将板上元器件的温度范围综合起来考虑，求出元器件温度的交集，将这个交集作为试验设定的基准。经查询接收板和开关板的与温度相关的元器件为光电开关和二极管，螺钉、板件连线以及碳膜电阻在图纸上均无温度要求;开关盒可耐200℃高温(非明火)。仅剩光电开关以及二极管的温度作为参考，具体数据如表2所示。

　　由此可见，实验温度低温设置不宜低于-20℃，高温不宜超过75℃(开关板300070000001不宜超过85℃)。高低温循环试验过程如图3所示。

　　图3中各参数含义如下：

　　A——第一个循环开始;

　　B——第一个循环结束，第二个循环开始;

　　TA——试验条件要求的低温环境;

　　TB——试验条件要求的高温环境;

　　t1——低温存储时间;

　　t2——低温升至高温所用时间;

　　t3——高温存储时间;

　　t4——高温降至低温所用时间(在实际试验中t2

　　现制定试验要求如下：

　　TA=-10℃;

　　TB=50℃;

　　t1=t3=30min;

　　20min≤t2≤30min;

　　40min≤t4≤50min。

　　一个循环周期T：2小时≤T=t1+ t2+ t3+ t4≤1小时20分，为满足试验对象在试验条件中的时间要求，取T=1小时20分;若老化试验箱可提高温度变化率即减少t2、t4的时间，试验周期可减小。

　　方案1：试验周期为1;试验时间为1小时20分钟;筛选度SS1为：

　　SS1=1-exp{-0.0017(60+0.6)^0.6[Ln(e+2) ]^3*1}=7.18%

　　方案2：试验周期为2;试验时间为2小时40分钟 ;筛选度SS2为：

　　SS2=1-exp{-0.0017(60+0.6)^0.6[Ln(e+2) ]^3*2}=13.84%

　　方案3：试验周期为3;实验时间为4小时;筛选度SS3为：

　　SS3=1-exp{-0.0017(60+0.6)^0.6[Ln(e+2) ]^3*3}=20.03%

　　对比可知，方案3的筛选度最大，老化效果最佳，虽老化时间较长，但4小时可满足现有生产周期(4小时为现有老化时间)，因此循环可执行3次。而在物料处于敏感时期，则可增加循环次数或者适当提高试验温度(根据对应的板，不宜超过该板上元器件的极限温度)。

　　常温下恢复1h，外观检验无异常，性能参数应符合将光电开关焊接到电路板或试验装置上测试，输入、输出功能及其性能参数应符合技术图纸的要求，若测试出现故障品，每一单故障品都要经过筛选专业分析，给出最确切的结果，制定相应的物料调整，确保所生产的产品均为使用寿命长的优质产品。

4 后续老化试验方向

　　目前的可靠性试验条件单一，筛选度较理论值比仍然较低，后续方向应该以通电老化+温度调节+动态测试的模式。通电老化是为了以光电开关的真实工作下作为模拟环境;利用温度变化冲击来加重环境对产品的影响，缩短性能较差的产品失效的时间;部分故障现象在老化过程中可能出现，但当样品放置在室温恢复后，故障现象可能消失，增加动态测试可筛选出一部分潜在的故障。

　　参考文献：

　　[1]胡湘洪,高军,李劲.可靠性试验[M].北京:电子工业出版社,2015,10.

　　[2]马海川,李彩霞.加速寿命试验数据分析[M].石家庄:河北科学技术出版社,1998.

　　[3]茆诗松,王玲玲.加速寿命试验[M].北京:科学出版社,2000.

　　[4]陈盾,张春华.加速试验技术的研究、应用与发展[J].机械工程学报,2009,45(8):130-136.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第11期第47页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。