电子产品世界

作者简介：赵宇翔，男，助理工程师，主要研究方向：电子元器件失效分析。

控制器是空调的主要部件，有空调“大脑”之称，其中控制器显示装置用来向用户反映当前机组运行状态，进而根据显示界面调节不同模式。显示装置常采用LED 作为显示屏，驱动较为简单，主要使用三极管驱动，显示效果较好。目前售后反馈，显示板集中出现多单显示缺划故障，界面缺划将直接影响用户对产品运行状态的判断，因此结合过程和售后数据对显示显示装置的失效机理及工作可靠性进行研究分析，具有非常重要的意义。

1   事件背景

机组电控在售后出现缺划、显示不良等故障，经数据对比发现其售后故障率较高，主要故障为内机显示板双“8”显示缺失，左单“8”或右单“8”整体缺失（如图1 所示），使用2 ～ 4 年内失效非常突出。经数据统计，使用时间越久，故障失效数越多，严重影响产品质量及用户实际体验效果。

图1 空调显示界面显示缺划

2   显示异常失效机理分析

2.1 失效器件性能测试

显示区域6 个三极管阻值、PN 值特性正常，显示芯片等器件上电供电电压正常，排除器件本身性能失效。

2.2 器件焊点分析

发现失效集中在主板Q82、Q83、R83、R85 四处元器件引脚脱焊位置，用手晃动引脚位置显示正常，将脱焊位置重新焊接后，空调显示板显示正常。查看失效焊点，判断为非制造故障，主要失效为9012 型号三极管引脚脱焊，主板Q83 位置的三极管集电极引脚外观均存在脱焊现象，肉眼可以明显观察到，故障失效明显。

2.3 故障模拟

选取同编码主板，模拟将Q83 位置的三极管集电极引脚焊点悬空，上电测试故障现象与售后故障现象一致，由此可确定故障原因为Q83 位置三极管引脚脱焊导致。

2.4 固定胶体发黄

发现失效故障内机主板双“8”显示区的三极管均由黄色热熔胶固定（如图2 所示），且控制双“8”显示的3 处三极管包裹的热熔胶体颜色已呈深黄色。

2.5 故障点进行镜像分析

放大镜检焊点顶部均已脱焊，脱焊位置在引脚与焊盘焊接点锡处，并非结合处。

图2 热熔胶覆盖图

镜像分析（如图3 所示），对部分故障板引脚打磨镜像观察，脱焊的三极管引脚已经完全脱焊。同时对同区域未脱焊的R85 打胶引脚进行镜像查看，引脚焊接处已经出现明显裂痕。

图3 焊点镜像研磨图

3   显示电路分析

3.1 脱焊器件分析

根据复核数据，主要集中在显示电路9N12 型号三极管以及电阻位置，少数过零检测电路三极管位置也有失效。失效位置可以明显看到胶体发黄，器件引脚焊盘脱焊，判定为打胶影响焊点质量。

3.2 电流与电压分析

从复核数据来看，A 编码主板失效较多，故障主要集中在主板Q82、R83，Q83、R85打胶位置。对该处电压、电流值进行测试，如表4 测试数据，相比R87（控制电源显示），Q82、R83（左“8”显示）及Q83、R85（右“8”显示）驱动电压、电流值较大，运行时功率较大，产生的热量较大（见表1）。

分体内机主板显示电路原理图（如图4 所示），数码管显示单“8”，在驱动电路中，主要是3 个9012 型号三极管驱动，输出电压在12 V 以上，在整个显示电路中此位置三极管电压最高，通过电流量最大，进而功率较大，发热较突出。

图4 显示电路原理图

3.3 打胶防护起因

厂内生产过程与售后出现三极管引脚断，以及电阻倒伏出现引脚相碰故障（如图5 所示），为了防止此位置器件周转时出现引脚断，在器件表面进行打胶防护，并下发工艺文件，打胶后整改效果明显，再未出现此类引脚断故障。

图5 器件引脚断裂及倒伏状

4   模拟验证

4.1 故障通电测试

模拟故障主板通电运行1 h，引脚处点胶体已经明显软化，电阻、三极管引脚可以轻微摇动，将在胶体软化状态下缺右“8”的故障件轻轻拨动使其能正常显示后关机，待胶体冷却后再开机，显示再次缺右“8”，同步结合胶体状态判定胶体在冷却硬化过程中整体收缩（如图6 所示），对引脚产生拉力，长时间反复作用，导致引脚脱焊，判断为引脚在受冷热冲击后，受到外界机械力导致。

图6 器件引脚受冲击示意图

4.2 模拟打胶试验

试验条件：高温125 ℃，低温-40 ℃。高温20 min，低温15 min，温度切换时间为2.5 min，1 个周期40 min，共计循环240 周期。

试验样品：主板引脚打白胶；主板打黄胶。

试验结果：

1）黄色热熔胶比白色热熔胶熔点低，流动性更强（黄色热熔胶经过试验已经在板面流动），硬化后较脆容易受温度冲击而开裂（如图7 所示）。

2）试验过后，打白色热熔胶的主板引脚处有部分已经出现裂纹。

3）打黄色热熔胶的主板，在试验过后所有打胶焊均发生严重变形现象，引脚焊点损坏严重。

图7 器件引脚打热熔胶

5   性能失效机理分析

热胀冷缩是指物体受热时会膨胀，遇冷时会收缩的特性，由于物体内的粒子（原子）运动会随温度改变而改变，当温度上升时，粒子的振动幅度加大令物体膨胀，但当温度下降时粒子的振动幅度便会减少，使物体收缩。

故障主板测试均显示缺划，之前主要为防止三极管引脚断，在器件引脚打胶，三极管驱动电路功率较大，发热量较大，用户长时间使用过热，在关机冷却后产生膨胀与收缩力导致焊点脱焊，长期如此导致焊点面慢慢与焊盘脱落形成脱焊故障，影响产品可靠性。

6   可靠性提升解决方案

1）出现缺划故障主要是打黄色热熔胶引起，目前已下发新的工艺要求取消打胶，与此同时同步对厂内执行情况进行排查符合要求，目前生产主板均已取消三极管位置打胶，故障已整改并对其工艺流程进行优化（如图8 所示），引脚式电阻器由原来的手插改为设备自动插装且引脚根部增加绝缘漆，防止出现倒伏碰撞。

图8 现生产方式

2）流水线增加节拍器控制，节拍器使用密码锁频，密码有对口质量部门及工艺部门保管，同时制定相关关键控制计划并下发生产单位，以保证质量受控。

3）生产线体增加EVA 托盘、桌面软接触等防护措施（如图9 所示），通过增加托盘及泡棉等进行软防护，整改措施效果明显，同时要求预装注塑件工序进行分离式生产，与主板生产分开，避免过程刮擦，进而大大提高了产品的可靠性。

图9 增加托盘

7   失效整改总结及意义

器件引脚焊点龟裂失效模式在常规失效模式中并不像其他核心功率电子元器件失效模式一样得到很高的重视，但往往异常的出现都是隐秘性的、长期性的和关键性的。目前的功率器件趋于小型化，多功能化，对可靠性的依靠越来越高，不仅考虑器件的使用性，也要考虑实际生产、安装、维修等情况，本次通过产品实际使用过程中的问题反馈，调整工艺标准及完善过程控制计划，从器件本身可靠性及实际使用环境优化升级，提高了物料的可靠性。

参考文献：

[1] 卢银花,侯亚峰,郑林楠,等.绝缘子树脂与金属嵌件热应力研究[J].电工电气,2020(2):23-26,42.

[2] 仝蒙,傅蔡安,叶君剑.电子封装热应力失效分析新方法[J].电子元件与材料,2013(10):71-73.

（本文来源于必威娱乐平台 杂志2021年10月期）

关键词： 空调 三极管 焊点 冷热冲击 打胶 202110