船用電子設(shè)備某電源模塊的環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)*

袁紅剛　張艷秋　曾　武　尹子源

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所　上海　201108)

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船用電子設(shè)備某電源模塊的環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)*

袁紅剛張艷秋曾武尹子源

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所上海201108)

論文針對(duì)船用電子設(shè)備某電源模塊進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)。評(píng)估了該電源模塊的可靠性水平，列舉了影響該電源模塊壽命的可能因素并逐一確認(rèn)和驗(yàn)證。采取的環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，經(jīng)加速試驗(yàn)和后期使用驗(yàn)證其合理有效。

電源模塊; 環(huán)境適應(yīng)性; 腐蝕; 可靠性

Class NumberTG174

1　引言

某船用電子設(shè)備在使用期間的故障統(tǒng)計(jì)如圖1所示，其中電源模塊故障占53%。可見(jiàn)，提高該電源模塊的可靠性水平，成為提升整個(gè)設(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵。

圖1　各類(lèi)故障統(tǒng)計(jì)圖

該設(shè)備的電源模塊如圖2所示。

2　可靠性水平及影響因素分析

2.1可靠性水平統(tǒng)計(jì)

每套電子設(shè)備中有兩個(gè)該電源模塊，截至2011年09月，交付使用的15套設(shè)備(計(jì)30個(gè)電源模塊)中，有9個(gè)電源模塊不足5年發(fā)生故障。即電源模塊的失效率為30%，不能滿足設(shè)備的可靠性要求。

圖2　船用電子設(shè)備某電源模塊

這9塊電源模塊發(fā)生故障的時(shí)間從0.5年～4年不等，發(fā)生故障的模塊平均壽命為2年，具體如圖3所示。

該電源模塊由某所進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，芯片采購(gòu)某國(guó)內(nèi)單位，進(jìn)行灌封、制版、焊接后形成。對(duì)該芯片在相關(guān)行業(yè)應(yīng)用的壽命進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外相關(guān)廠家的同類(lèi)產(chǎn)品的在行業(yè)下應(yīng)用壽命達(dá)到5年以上的概率分別為90%、98%，具體如圖4所示。

圖3　故障的電源模塊壽命分布

圖4　核心芯片不同應(yīng)用的壽命可靠性

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該電源模塊在該普通環(huán)境下的可靠性及壽命水平較高，但應(yīng)用于該電源模塊中，可靠性水平明顯降低，需要從后續(xù)的設(shè)計(jì)、加工、制作、環(huán)境等分析原因。

2.2影響因素分析

針對(duì)電源模塊壽命不高現(xiàn)狀，從人員、設(shè)備、材料、環(huán)境等方面進(jìn)行分析原因，總結(jié)出九個(gè)可能的因素，歸納于表1，并對(duì)可能因素逐個(gè)分析、確認(rèn)。

表1　原因確認(rèn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

設(shè)計(jì)方面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查、專家評(píng)審，電路設(shè)計(jì)合理；工藝方面，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查、專家評(píng)審，焊接人員、設(shè)備、工藝滿足要求；材料方面，元器件合格并通過(guò)應(yīng)力篩選；環(huán)境方面，除發(fā)現(xiàn)有強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)外，其余環(huán)境因素適宜。

對(duì)某故障的電源模塊進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)芯片的灌封材料膨大，導(dǎo)致內(nèi)部焊點(diǎn)脫離。

該電源模塊所處鋁筒密封圈未發(fā)現(xiàn)異常，鋁筒內(nèi)也沒(méi)有可流動(dòng)的液態(tài)油脂。推測(cè)電源模塊損壞可能是由于輕萘油以氣體分子形式通過(guò)橡膠密封圈滲透至鋁筒內(nèi)，電源模塊的灌封材料吸收輕萘油后膨脹導(dǎo)致?lián)p壞。

3　環(huán)境影響因素驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證推論，采用加速試驗(yàn)的方法，將完好的灌封后芯片放置在輕萘油中浸泡，如圖5所示。

圖5　電源浸泡輕萘油試驗(yàn)

圖6中，左圖是浸泡前電源模塊的灌封材料外觀，右圖為浸泡48h之后的灌封外觀。

圖6　浸泡輕萘油48小時(shí)后對(duì)照?qǐng)D

通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)灌封材料不耐油腐蝕，灌封材料吸收油分子后膨脹，導(dǎo)致該電源模塊故障。

可確認(rèn)，灌封材料耐油腐蝕能力差是引起該電源模塊可靠性不足的主要原因。

此外，如圖3所示，發(fā)生故障的模塊平均壽命為2年，確認(rèn)試驗(yàn)通過(guò)48小時(shí)試驗(yàn)即可復(fù)現(xiàn)故障，加速倍數(shù)約為400倍左右。

4　環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)了兩種不同的灌封材料，通過(guò)性能測(cè)試、加速試驗(yàn)對(duì)比分析兩種新灌封方案的可靠性。

新增的灌封設(shè)計(jì)方案1、方案2和原方案，如圖7所示。

4.2功能測(cè)試

針對(duì)新的灌封方案1和方案2，分別試制新的電源模塊，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)方案1、2電源模塊的測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖7　灌封材料的對(duì)比

圖8　方案1、2測(cè)試結(jié)果

從圖8中可以看出，輸入電壓相同時(shí)，電源模塊的輸出電壓分別為11.95V、11.81V，均可以正常工作。這兩種灌封材料對(duì)電路的性能影響不大，均可以滿足設(shè)備的工作需求。

將方案1、方案2的電源模塊分別進(jìn)行48h烤機(jī)試驗(yàn)，均正常。

4.3耐油腐蝕性加速試驗(yàn)

實(shí)際的設(shè)備中，該電源模塊并非浸泡于油中，而是受蒸發(fā)的油分子的腐蝕。浸泡試驗(yàn)則比實(shí)際環(huán)境惡劣許多，為加速試驗(yàn)。氣態(tài)油的密度約為油密度的千分之一，加速倍數(shù)理論上可達(dá)1000倍，在之前的故障確認(rèn)試驗(yàn)中，加速倍數(shù)約為400倍。保守估計(jì)，本文取加速因數(shù)位400。

對(duì)于方案1、方案2，分別采用20個(gè)樣本，在輕萘油中浸泡12h、24h、72h、120h，發(fā)生故障的數(shù)目統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2　耐油腐蝕性加速試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表2的對(duì)比分析結(jié)果，可以看出方案2的灌封材料耐油腐蝕的能力更強(qiáng)。

4.4試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)加速試驗(yàn)，方案2的20個(gè)電源模塊樣本通過(guò)240h的加速試驗(yàn)，故障數(shù)為0，加速因數(shù)取400，可求出置信度為0.9下的可靠性參數(shù)估計(jì)。

其平均壽命單側(cè)置信下限為

其5年可靠度的單側(cè)置信下限為

經(jīng)過(guò)預(yù)計(jì)計(jì)算，改進(jìn)后，方案2設(shè)計(jì)的電源模塊5年可靠度可達(dá)0.95。

5　結(jié)語(yǔ)

最終采用的設(shè)計(jì)方案如圖9所示。

圖9　最終改進(jìn)設(shè)計(jì)的電源模塊

對(duì)之前的15套設(shè)備進(jìn)行更換，新增設(shè)備9套，共24套。截至2016年02月，未發(fā)生故障。通過(guò)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)更改，提高了可靠性、減少了維修成本。

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Environmental Adaptability Design of A Power-Module in Ship-Borne Electronic Equipment

YUAN HonggangZHANG YanqiuZENG WuYIN Ziyuan

(No.726 Research Institute of CSIC, Shanghai201108)

In this paper,the environmental adaptability design of a power-module in ship-borne electronic equipment is presented.The module reliability is evaluated, and possible causations which reduce the reliability are evaluated and verified.Through the accelerated test and customer-use，the adaptable design rationality and effectiveness is confirmed.

power-module, environmental adaptability, erosion, reliability

2016年4月9日,

2016年5月23日

袁紅剛，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：系統(tǒng)工程。張艷秋，女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：綜合保障設(shè)計(jì)。曾武，男，碩士，工程師，研究方向：電子工程。尹子源，男，高級(jí)工程師，研究方向：電子工程。

TG174

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.041