變頻空調IPM可靠性研究與應用

2020-11-23 電子產品世界

　　黎長源，李帥，項永金（格力電器（合肥）有限公司，安徽 合肥 230088）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201907/402143.htm

　　摘要：針對空調用IPM模塊生產過程及運輸周轉過程中出現IPM本體開裂問題，本文從IPM失效機理、器件結構工藝設計、器件應用環境設計質量可靠性等方面進行分析。通過器件失效機理、結構對比、X光、機械應力測試等對IPM器件本體全方位分析論斷，分析結果表明：IPM整體結構設計存在質量缺陷，IPM抗機械應力強度水平低，在實際應用環境中以較高的可靠性工作，本次IPM物理機械失效與器件本身設計質量缺陷存在較大關聯；從器件本身可靠性設計、本體結構性設計、內部結構布局設計全面整改，從器件本身質量提升著手，進行全面、系統化提升器件質量。

　　關鍵詞：變頻空調；IPM；開裂；器件結構；機械應力

　　0 引言

　　變頻空調是時代發展趨勢，空調除了具有基本的製冷、制熱功能外，空調節能、環保、舒適性也是新時代發展要求。變頻空調核心控制部分控制器是由多電路模塊組成，在實現變頻技術控制方面IPM起著不可或缺的作用，以實現空調頻率可調、可控。IPM將直流電轉換為模擬可控交流電控制壓縮機以不同的頻率進行運轉，完成空調快速製冷、制熱目標，實現這些要求IPM設計質量和工作可靠性都要高。近年來，家用空調用M廠家

IPM過程及售後物理機械失效非常突出，為典型的IPM結構設計質量缺陷。為了從根本上分析導致IPM開裂失效原因，本文從IPM失效機理、失效因素、器件應用環境、器件整機工作可靠性等方面進行分析，其整改方案思路可以為其他類IPM物料失效分析整改提供借鑑及參考意義。

　　1 事件背景

　　變頻空調引入使用M廠家A編碼IPM在售後實際工作可靠性表現並不很好，用戶開機使用出現壓縮機不啟動現象，售後使用時間較短均在半個月之內，核實電器盒上A編碼模塊出現本體從中間斷裂現象（如表1 2018年上半年M廠家A編碼模塊失效總體數據），問題急需進行攻克解決。

　　2 IPM失效原因及失效機理分析

　　IPM模塊開裂失效主要集中在M廠家A編碼，且在售後使用時間較短均在半個月之內失效，對電器盒拆解查看，發現IPM本體已經開裂。斷裂位置一致（如圖1IPM開裂失效外觀及X-ray圖片），具體是因何種原因失效，是IPM封裝材質問題、結構設計質量問題，還是實際應用環境影響導致，針對問題我們展開失效原因相關分析驗證工作。

　　2.1 控制器結構差異點

　　經過查詢M廠家A編碼對應控制器有30多款，但與PFC電感搭配使用僅3款（售後出問題的，早前生產未帶PFC電感均未發現過）,由於PFC電感較重，認為增加後對控制器板的強度有一定的影響（如圖2）。

　　2.2 物料一致性問題

　　2.2.1 內部情況對比：通過X-ray測試內部結構無異常（如圖3）。

　　2.2.2 彎曲強度測試：經對比M廠家A編碼和N廠家A編碼的縱向斷裂強度，M廠家A編碼比N廠家A編碼的斷裂強度小20%左右（如表2）。

　　2.2.3 灰分與熱重測試對比：M廠家A編碼與N廠家A編碼的揮發與熱重測試（如表3）數據接近。

　　2.2.4 材料測試對比：M廠家A編碼與N廠家A編碼的材料均為環氧樹脂，但是N廠家A編碼的譜圖峰值與M廠家A編碼的有一定的差別，核實之前製品表明廠家未更改過材料成分，從2012年7月開始就指定EMC材料，至今沒有變更。

　　2.3 與其他廠家模塊對比

　　通過對壓縮機模塊三個廠家外觀尺寸的對比，發現以下問題。

　　2.3.1 M廠家A編碼的模塊厚度最薄，比P廠家的本體厚度薄，體積也是最小的(如表4壓縮機模塊廠家外觀尺寸對比表)。

　　2.3.2 M廠家A編碼打螺釘位置的孔位，固定在散熱器上面，強電和弱電不對稱，受到機械應力時受力不對稱。

　　2.3.3 通過取M廠家A編碼實物外觀查看，在M廠家A編碼的散熱面，靠弱電斷裂側有3個約1.5mm的深孔；背部有一個凹槽，在螺釘固定位置的中間(如圖4M廠家A編碼實物)。

　　2.4 跌落實驗驗證

　　2.4.1 單體電器盒跌落實驗：故障未復現

　　2.4.1.1 電器盒以1.5m高度進行跌落（鈑金朝下與朝上跌落），跌落3次，跌落後功率器件存在變形情況，但未發現IPM模塊存在開裂情況，且變形受力方向與故障件相反(如圖5)。

　　2.4.1.2 電器盒以1.5M高度進行跌落（側面），跌落後功率器件存在變形情況，但未發現IPM模塊存在開裂情況，且變形受力方向與故障件較為相似(如圖6)。

　　2.4.1.3 模塊焊接偏高異常：把IPM塞塊增加矽膠片進行焊接，將模塊高度增加至6.8 mm（標準為：6±0.2）mm，按1.5 m高度進行跌落，跌落後均出現功率器件引腳變形但器件未開裂情況。

　　2.4.2 整機跌落實驗：3.9m高跌落實驗復現

　　2.4.2.1 整機正向側向跌落1 m和1.6 m各跌落兩次，IPM引腳有輕微變形現象，但未出現售後破裂現象(如圖7)。

　　2.4.2.2 整機正向跌落3.9 m高度，模擬售後卸貨從車上掉落。經模擬從車子頂層將機子跌落,共跌落2次,跌落高度約3.9 m，試驗後整機外觀明顯變形,拆機檢查控制器下塌,模塊破裂，與售後反饋的圖片相似（如圖8）。同時，電器盒內部其他部位也出現不同程度的損傷，如扼流圈支架斷、功率器件變形、風機電容腳斷（售後返回均未發現其他器件破損異常）等問題。

　　分析小結：從模擬摔機情況看，整機外觀與控制器等整體都出現不同程度變形,與售後回訪情況存在差異,但控制器模塊破損位置及破損方式與售後反饋的相似,說明售後出現的模塊破損與整機從較高處直接跌落有直接關係，同時模塊本身承受能力較差。

　　3 IPM 失效整改措施

　　3.1 器件自身結構改進

　　1） 增加 CBD陶瓷覆銅板（如圖9 更改後增加CBD陶瓷覆銅板）。

　　2） 本體的凹槽填平（如圖10 更改後凹槽填平）。

　　3.2 關於加強空調成品裝卸、安裝過程的管控要求空調從出庫到客戶的安裝流程中，涉及此流程的電商管理部、經營部、成品庫、客服中心、各銷售公司及安裝網點，須加強對員工的培訓教育，運輸周轉及安裝過程中嚴禁出現摔機、高空扔機等現象。

　　4 整改效果評估及應用效果驗證

　　4.1 新舊製品外觀上區別

　　4.1.1 新製品相對舊製品凹陷處填平，左邊舊製品，右邊新製品（如圖11）。

　　4.1.2 同時增加CBD陶瓷覆銅板以提高抗彎曲強度，左邊舊製品，右邊新製品（如圖12）。

　　4.2 X-ray核實內部線路狀態

　　1) 弱電線路部分：新舊製品線路一致。

　　2) 強電線路部分：新製品線路做更改，對引腳與塑封接觸部分改成T字結構，增加接觸面積，提升IPM抗機械強度能力（如圖13，圖14 ）。

　　4.3 M廠家A編碼模塊抗強度測試驗證

　　測試條件：測試擺放如下，測試位移1mm/min（如圖15）。

　　測試更改前後各安排2個樣品，結果見表5，更改後製品抗彎曲強度明顯提高。

　　4.3.1 M廠家A編碼模塊新舊製品在管腳性能參數，極限參數一致。對裝配整機性能測試及跌落試驗驗證無異常。

　　5 IPM失效整改總結及意義

　　通過產品實際應用過程中的問題反饋信息及器件單體驗證分析，本文從IPM失效機理、失效因素、器件應用環境、器件裝配可靠性等多方面進行分析，通過對器件單體可靠性，及整機進行驗證，IPM耐抗機械強度為700N以上，需要從器件本身進行整改，IPM耐抗機械強度分析因素進行分析探索研究，綜合分析評估IPM結構調整可以達到此要求。

　　本體調整M廠家A編碼模塊結構，在原有的標準上表5 新舊製品抗彎曲強度測試對比表序號 樣品狀態 測試數據（N） 圖片樣品 1 更改前 709.354樣品 2 更改前 701.021樣品 3 更改後 2004.871樣品 4 更改後 2148.263再次提升IPM抗機械強度應力，從而改善產品質量，更改後製品極限抗彎曲強度由7 0 0 N 提 高 到2000N以上，效果明顯。

　　通 過 此 次 整改，器件引入開發時需對器件單體及應用電路、工作環境等進行詳 細 有 效 測 試評估，要與實際使用環境及使用位置進行綜合評估，將IPM抗強度測試評估要求納入入廠檢標準，可提前測試把關提高產品質量，提高IPM應用的可靠性，降低過程及應用中後失效率。

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　　作者簡介：

　　黎長源(1984.1),男，高級工程師，主要研究方向：空調製冷技術、變頻空調IPM可靠性技術。

　　本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第7期第60頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處

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