空调生产过程中固态继电器几种常见失效模式分析

作者：冯体艳

来源：《决策探索·收藏天下（中旬刊）》 2019年第5期

摘要:文章基于空调生产过程中,固态继电器的失效模式进行分析,从其工作原理及应用,阐述固态继电器失效的几种常见原因及失效机理,并针对固体继电器的生产、应用等环节,提出改善的对策。

关键词: 固态继电器;失效;封装;金线绑定;过电压击穿

固态继电器(Solid State Relay,缩写SSR),是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件,它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的,因此又被称为“无触点开关”。

固态继电器内部结构由3部分组成:输入电路(光电二极管)、耦合电路(光电耦合)和输出电路(双向可控硅)。

一、问题背景

固态继电器在家电空调的生产中,主要应用电机控制电路。2015年,某公司家用空调在客户端使用时,客户反馈风机不停,上电风机不转动,表现为电机驱动电路异常,经对电路板分析确认,确定其为固态继电器本身电气性能异常引起。

据统计,此次售后投诉共计148件,涉及固态继电器不同厂家,主要表现为X厂家143件,S厂家5件,给客户和公司都造成了很大的影响。

二、固态继电器失效模式及机理分析

失效分析常规的分析方法和流程是:先进行外观检查(观察是否有外力损伤),然后做基本电性能检测(测试基本参数是否异常),再进一步做非破坏性分析(X-ray观察内部结构),若还没发现失效原因则必须对样品进行破坏性分析(开封检查晶元状态)。

(一)金球脱落

X-ray检查未发现固体继电器金线绑定异常,进一步开封分析,发现焊线金球与芯片电极之间虚焊, 造成虚焊的根本原因是:厂家压接金线过程中,芯片电极脏污、油污、氧化或者芯片电极划伤。

(二)LT芯片(LT chip)上浮着银浆

银浆附着,如图1 所示,该异常主要原因:

一是吸取头没有吸到LT 芯片时,设备没有发生错误提示,也没有停止。

二是没有LT 芯片的状态下搬送框架,吸取头的顶部粘着框架上的银浆。

三是吸取头吸取下一个LT 芯片时, 把吸取头顶部的银浆粘到LT 芯片表面了。

改善对策:正常情况下,吸取头没有吸住芯片的话,传感器会感知,设备会停止。 但因这个传感器的敏感度变差,发生了误检的情况,故把传感器放大器从模拟模式改成数字模式。

(三)TC 芯片位置偏位

TC 芯片位置偏位,如图2,该异常主要表现为输出端有漏电流,风机不停,主要原因是TC 芯片没有被吸附着,芯片一度被顶针顶起,所以提起时,容易从胶片上剥落,再次顶起来时,芯片位置偏移,芯片偏移状态被吸附,放在框架上时,芯片接触Frame。如图2、图3所示。

改善措施:上芯工序上,发生吸附失误的话,禁止再提起, 废弃该芯片。

(四)金线坍塌

该异常主要表现为输出端6、8脚短路,内部金线(触发端口)与晶圆边沿触碰,如图4,主要原因是:金线路径(强力器、切割夹持器)受污渍的影响,金线不能正常引出。

改善措施:变形金线接合路径定期清扫的频度。

(五)TC 芯片 和 Frame间附着线状的金属异物

附着线状的金属异物,如图5。原因分析:从异物里检出Pb。Pb是 TC芯片接合材——焊料里含有的元素,涂焊料后,焊料用涂覆工装压着在框架下扩散。这时,焊料从框架下溢出,和紧邻的框架短路。

改善措施:对生产工艺进行改善,核查焊料涂布的条件,停止涂覆工装的使用。

(六)内部金属层脱落

内部的光敏管失效(LED及可控硅均未损坏),在无光且电压很小的情况下自动触发而导致可控硅导通。主要表现为内部金属层脱落 。不过开封方法也会影响金属层被腐蚀脱落,所以目前该原因暂不确定。

(七)6、8脚漏电流偏大

对该电路进行谐波和雷击浪涌测试,结果如下:

PG电机待机情况下,绕组电感与阻容模块的电容会产生谐振,振荡频率约为533Hz,且带宽较宽,频率为510Hz-547Hz,振幅变化很小。但通过实际测试表明,供电电压的频率在510Hz与

547Hz之间,固态继电器6、8脚之间的峰值电压都在552V以上(电源电压有效值100V保持不变)。

谐波试验:当在220V、60Hz电源供电加7%的谐波(2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次),此时最大峰值电压为504V,而固态继电器6、8脚之间峰值电压已达716V。

雷击浪涌试验:零火线雷击浪涌电压2000V以下时,固态继电器6、8脚之间的尖峰电压在

600V以内, 在雷击浪涌电压2500V时,固态继电器6、8脚之间承受的电压超过600V,达636V。

因此,固态继电器损坏存在两方面的原因,市电中实际存在的谐波及雷击浪涌电压都可能会导致固态继电器承受超过600V以上的电压,造成固态继电器失效。

对于该原因导致的失效,目前将PG电机控制电路中阻容模块原来的0.1μF+120Ω改为0.1μF+360Ω,或将电感由原来的200uH改为260uH,能有效降低电网中谐波电压对固态继电器的损伤,也解决了雷击浪涌电压造成的固态继电器承受过高电压的问题。增加阻容模块中的电阻值,会使EMC中的传导变差,但可以通过增加电感值使该问题得到解决。

三、结语

本文总结了家用空调控制板上使用的固态继电器的几种常见失效现象、失效机理及改善措施。从目前的情况看,器件本身的质量异常,比较容易被识别和找到控制措施,但有一些失效,比如过电类,目前还是没有办法确定具体的失效原因,只能从设计和应用方面进行优化改善,这样才能有效提高固态继电器应用的可靠性。

参考文献:

[1]常国梅.固态继电器机构的热应力分析及其优化设计[D].河北工业大学,2007.

[2]王月姣,朱家驹.固态继电器在单片机测控系统中的应用[J].中南民族大学学报(自然科学版),2005(1).

[3]梅赞利.固态继电器及其应用[J].电气时代,2001(4).

作者单位:

格力电器(郑州)有限公司