整流組件失效模式分析與可靠性設(shè)計(jì)

1、整流組件失效模式分析與可靠性設(shè)計(jì)一、 汽車交流發(fā)電機(jī)整流組件失效模式對(duì)大量失效的整流組件進(jìn)行分析，組件失效模式主要有以下幾種：a、二極管引線與連接片焊接處焊料熔化脫落;b、引線與管芯焊接處焊料熔化脫落;c、硅片表面鍍鎳層不佳造成焊接空洞、假焊或鎳層脫落;d、管芯與管座(或極板)間焊接處焊料熔化造成管芯脫落、環(huán)氧開裂上翹。從以上的分析中知整流組件的失效模式都與焊接工藝和焊料有關(guān)。為了便于分析產(chǎn)生以上四種故障模式的原因，我們就國(guó)內(nèi)常用的整流組件生產(chǎn)工藝和整流組件在交流發(fā)電機(jī)中實(shí)際工作狀況作簡(jiǎn)要介紹。二、 國(guó)內(nèi)常用的整流組件生產(chǎn)工藝的簡(jiǎn)介1、 縉云管芯的簡(jiǎn)介縉云是我國(guó)汽車管芯集中生產(chǎn)地，它每年生產(chǎn)汽

2、車管芯幾千萬(wàn)只，約占全國(guó)汽車管芯產(chǎn)量的三分之二以上。由于它們的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝相近(電極片為鐵片、95鉛錫浸焊、臺(tái)面酸付蝕與硅橡膠保護(hù))，因此大家把這一類管芯稱為縉云管芯。由于縉云管芯成本低和使用方便因此深受整流組件生產(chǎn)廠的歡迎，同時(shí)亦是整流組件生產(chǎn)廠越來(lái)越多的原因之一。應(yīng)用縉云管芯生產(chǎn)整流組件目前有二大流派。大多數(shù)生產(chǎn)廠采用：縉云管芯、引線、管座(或極板)加焊膏后在隧道爐(或烘箱或熱板)中焊接成一體，組裝成整流組件。在這套工藝方案中由于含錫量很大的焊膏與管芯表面局部的95鉛錫熔合后熔點(diǎn)下降到183附近(工藝方案A)。另外一些生產(chǎn)廠采用：縉云管芯、管座(或極板)加焊膏在隧道爐(或烘箱或熱板)中焊

3、成一體，然后用電流焊方法把引線焊在管芯表面。此時(shí)引線與管芯間的焊料是單一95鉛錫，它的熔點(diǎn)是295左右。由于在電流焊焊接引線時(shí)焊接溫度很難精確控制，往住會(huì)溫度過高使管芯表面95鉛錫層全部熔化，破壞了硅橡膠與鉛錫間的粘合密封狀態(tài)，在冷卻后鉛錫與硅橡膠間產(chǎn)生一間隙，容易產(chǎn)生管芯反向特性不穩(wěn)定的缺陷。同時(shí)由于電流焊的焊接溫度高、加溫速度快，因此對(duì)硅片表面鍍鎳工藝要求高，容易產(chǎn)生硅片爆裂與脫鎳現(xiàn)象(工藝方案B)。由于縉云管芯采用的電極板為鐵片、管芯的表面浸焊有很厚的95鉛錫焊料，鐵和鉛錫焊料的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)銅、鋁來(lái)講要小得多，因此，此類管芯穩(wěn)態(tài)熱阻與瞬態(tài)熱阻都比較大。在VF測(cè)試中它的數(shù)值一般在80-14

4、0mV，而BOSCH管子的VF值一般為20±2mV2、臺(tái)灣整流粒子整流粒子的結(jié)構(gòu)是兩片鍍銀銅片與兩片銀鉛錫合金片夾一片硅片裝在石墨模中，在氫、氮?dú)獗Ｗo(hù)的隧道爐(真空焊接爐)中焊接成一體，然后經(jīng)過酸付蝕、硅橡膠涂覆等工序形成整流粒子(管芯)。由于此類工廠早期均為臺(tái)灣商人獨(dú)資或合資廠，因此此類管芯習(xí)慣稱為臺(tái)灣整流粒子(或粒子)。此類粒子的焊料是熔點(diǎn)為295-305的銀鉛錫合金片。整流組件廠用此粒子、引線、極板(或管座)加上錫銻焊膏(或錫銻合金片)裝在焊接模上在隧道爐中焊成一體，組裝成整流組件(工藝方案C)。此類組件引線與管芯、管芯與管座(或極板)間焊料熔點(diǎn)為231，VF數(shù)值為20-30m

5、V。美國(guó)雷達(dá)公司早期產(chǎn)品采用此工藝方案。3、 帶引線整流粒子簡(jiǎn)介此類管芯日本用得比較多，它把引線、兩片電極片、硅片與叁片銀鉛錫焊片在氫、氮?dú)獗Ｗo(hù)的隧道爐或真空焊接爐內(nèi)焊接成一體，把引線與管芯焊接焊料熔點(diǎn)提高到295。整流組件廠把帶引線整流粒子用熔點(diǎn)為231錫銻焊膏(或錫銻合金片)焊在管座(或極板)上，組裝成整流組件(工藝方案D)。此類整流組件VF數(shù)值在20-30mV。以上介紹的工藝都屬二次焊接工藝。4、 玻璃鈍化芯片及一次焊接工藝此類芯片具有好的高溫特性和高的穩(wěn)定性，但需要有高的工藝水平才能充分發(fā)揮芯片的特長(zhǎng)。成本高、工藝要求高。整流組件廠把玻璃鈍化芯片、引線、管座(或極板)用銀鉛錫合金片(熔

6、點(diǎn)為295-305)在氫、氮?dú)獗Ｗo(hù)的隧道爐(或真空焊接爐)中焊接成一體，組裝成整流組件(工藝方案E)。此類整流組件VF數(shù)值在20-30mV。5、經(jīng)典一次焊接工藝國(guó)內(nèi)早期單管的工藝方案是經(jīng)典的一次焊接工藝。把硅片、二片電極片、引線和底座用四片銀鉛錫合金焊片(熔點(diǎn)為295-305)裝在焊接模內(nèi)，在氫、氮?dú)獗Ｗo(hù)的隧道爐(或真空焊接爐)中焊接成一體，經(jīng)過表面腐蝕、表面保護(hù)、加封口蓋密封和外接軟引線等工序制成單管(工藝方案F)。國(guó)內(nèi)早期單管主要存在下列不足： (1).由于采用厚的硅片因此正向峰值壓降大; (2).由于表面處理工藝不到位及表面保護(hù)材料不佳，反向漏電流偏大、穩(wěn)定性較差。目前這套工藝方法己經(jīng)很

7、少有人采用，主要原因是：制造過程中需要用大量的酸堿和去離子水，需要一定的設(shè)備投入。目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)整流組件生產(chǎn)廠沒有這類設(shè)備及管理能力。三、 整流組件在交流發(fā)電機(jī)內(nèi)實(shí)際工況及失效原因分析用半導(dǎo)體點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量極板溫度時(shí)測(cè)量值一般都偏低，最大誤差值可達(dá)10度以上。要測(cè)準(zhǔn)組件極板溫度最佳方法是在整流組件極板上埋設(shè)測(cè)溫?zé)犭娕?填充導(dǎo)熱硅酯)。 (一)28V、45A交流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及失效原因分析表1為XXXX柴油機(jī)上使用的28V、45A交流發(fā)電機(jī)(老機(jī)型)整流組件極板溫度的試驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)(長(zhǎng)沙某公司提供)。 表1轉(zhuǎn) 速(轉(zhuǎn)/分)輸出電壓VB+輸出電流 IO組件極板溫度 Tc環(huán)境溫度Ta正極板溫升(Tc-

8、Ta)Tca正極板負(fù)極板2500 27V 47A9582 2570 上表的數(shù)據(jù)為交流發(fā)電機(jī)在2500轉(zhuǎn)/分、最大輸出時(shí)一組數(shù)據(jù)。組件正極板的溫升為：Tca = Tc-Ta = 70 那未，我們可以推算出在額定環(huán)境溫度Ta = 85下、交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分時(shí)整流組件極板溫度Tc = Tca + Ta =85+70=155,可達(dá)到155。對(duì)于三相整流組件來(lái)說，每個(gè)橋臂的導(dǎo)通角為120度，其峰值電流約為交流發(fā)電機(jī)的輸出電流IO，此時(shí)通過二極管的電流波形是一個(gè)接近矩形波的饅頭波形，為了計(jì)算方便我們作矩形波處理。那未可以用下式來(lái)估算整流組件每個(gè)二極管的正向耗散功率為：P 0.33*I0*VFM

9、其中: P為整流組件中每個(gè)二極管的正向耗散功率 IO 為交流發(fā)電機(jī)(整流組件)的輸出電流 VFM為整流組件中二極管的正向峰值壓降對(duì)于一個(gè)50A整流組件，單管電流容量一般取2025A，我們這里取25A。從JB/T6321-92標(biāo)準(zhǔn)中查到ZQ25： 管殼溫度TC = -40120 結(jié)殼熱阻：RJC = 1.7 /W 等效結(jié)溫：TJM = -40175 正向峰值電壓：VFM 1.4 V在這里我們?nèi)。?VFM 1.2 V RJC 1.5 /W IO 47 A則 : P(AV) 0.33*I0*VFM 0.33*47*1.2 18.6W結(jié)殼溫升： Tjc P(AV)* RJC 18.6*1.5 27.9

10、 我們可以得到整流組件中二極管的最高結(jié)溫可達(dá)到： Tjm Ta + Tca + Tjc 85 + 70 + 27.9 182.9 引線與管芯焊接處的溫度一般比管芯的結(jié)溫高10至20。我們把以上數(shù)據(jù)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)參數(shù)歸納在一起成表2、表3： 表2項(xiàng) 目管殼、極板溫度Tc額定(最高)結(jié)溫TjmJB/T6321-92(單管)120175JB/T6305-92(組件)140/150150/175QC/T422-2000(單管)125175雪崩管報(bào)批稿(單管)170200發(fā)電機(jī)上測(cè)試數(shù)據(jù)155182.9 表3工藝 方案管 芯類 型引線與管芯焊料熔點(diǎn)引線與管芯焊接區(qū)可能達(dá)到最高溫度管芯與管座(極板)間 焊

11、料 熔 點(diǎn)管座(極板)最高溫度A縉云管芯183182.9 至200183155B縉云管芯295183C臺(tái)灣整流粒子231231D帶引線管芯295231E玻璃鈍化芯片295295F鍍鎳硅片295295從表2、表3我們可以對(duì)XXXX柴油機(jī)用交流發(fā)電機(jī)(老機(jī)型)失效率很高的原因作如下分析： 1.JB/T 6321-92 ZQ系列5A至50A機(jī)動(dòng)車用整流管機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、JB/T6305-92 UQ系列機(jī)動(dòng)車用橋式整流組件機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 與QC/T 422-2000機(jī)動(dòng)車用硅整流二極管汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的參數(shù)如Tc、Tjm 等都不能滿足XXXX柴油機(jī)用交流發(fā)電機(jī)對(duì)整流組件的使用要求。交流發(fā)電機(jī)廠應(yīng)對(duì)整流組

12、件廠提出高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電參數(shù)指標(biāo)。這個(gè)問題應(yīng)該屬于交流發(fā)電機(jī)廠(熱)設(shè)計(jì)問題。也可以講是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水平太低，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)沒有指導(dǎo)作用。2.整流組件廠采用工藝方案A是造成缺陷b：引線與管芯焊接處焊料熔化脫落和缺陷d：管芯與管座(或極板)間焊接處焊料熔化造成管芯脫落、環(huán)氧開裂上翹的主要原因。3.整流組件廠采用工藝方案B是造成缺陷d：管芯與管座(或極板)間焊接處焊料熔化造成管芯脫落、環(huán)氧開裂上翹的主要原因。4.整流組件廠采用鐵連接片、低溫焊料及不良的焊接工藝是造成缺陷a：二極管引線與連接片焊接處焊料熔化脫落的主要原因。 5.管芯制造廠采用劣質(zhì)鍍鎳硅片和整流組件廠焊接工藝不佳是造成缺陷c：硅片表面鍍鎳層不

13、佳產(chǎn)生焊接空洞、假焊或鎳層脫落的主要原因。6.對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在整流組件邊上有兩個(gè)二極管散熱面積太小，其中有一個(gè)二極管處在通風(fēng)的盲區(qū)，嚴(yán)重影響了該二極管的工作可靠性。總的來(lái)講，整流組件的可靠性首先決定於發(fā)電機(jī)廠的熱與電的設(shè)計(jì)，其次是整流組件廠采用的工藝方案、工藝水平和質(zhì)量管理水平。從表3中可以知道：國(guó)內(nèi)整流組件廠采用帶引線的管芯工藝方案是目前提高產(chǎn)品質(zhì)量最有效、最方便、最經(jīng)濟(jì)的途徑。以上的方析分法同樣適用於其他型號(hào)交流發(fā)電機(jī)。(二)、JFZ1813Z 14V、90A交流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)下圖是上海某廠試驗(yàn)中心提供的一組試驗(yàn)室測(cè)試曲線。從這一組曲線中我們可以得到以下幾點(diǎn)啟發(fā)：1.整流組件極板溫度

14、Tc(Ta)r/m曲線是一組有規(guī)律的連續(xù)曲線。曲線的形 狀決定于發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)； 2.整流組件極板溫度在2500轉(zhuǎn)/分附近有最高值，在這一點(diǎn)發(fā)電機(jī)的輸出電流巳經(jīng)達(dá)到額定輸出電流的2/3左右，但此時(shí)冷卻風(fēng)速很低。隨著轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機(jī)的輸出電流的增加速率下降，而冷卻風(fēng)速隨轉(zhuǎn)速增加而迅速提高，使組件極板溫度明顯下降。風(fēng)葉、風(fēng)道與整流橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了這一組曲線的形狀。3.從曲線上可以查到JFZ1813整流橋極板最高溫度為169。如果整流橋(組件)取以下一組數(shù)據(jù)時(shí)整流橋(組件)是可以可靠工作的。整流橋(組件)： Io = 100A 單管：IF(AV)=50A Tc = 170 VFM 1.05V Tjm= 200 Rj-C0.6/W VRRM=270V 這一組數(shù)據(jù)應(yīng)該由發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)人員給出(或者給出單管的型號(hào)與生產(chǎn)廠名)。四、 整流橋的可靠性設(shè)計(jì)1.可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)整流橋(組件)的電熱設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)。對(duì)整流橋(組件)廠提出一組參數(shù),如Io、Tc、Tjm、IF(AV) 、VFM 、Rj-C等參數(shù)。2.整流橋(組件)廠根椐發(fā)電機(jī)廠要求確定工藝方案和主要另部件和材料的規(guī)格(生產(chǎn)廠)，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)文