船用電子設備某電源模塊的環境適應性改進設計*

袁紅剛　張艷秋　曾　武　尹子源

(中國船舶重工集團公司第七二六研究所　上海　201108)

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船用電子設備某電源模塊的環境適應性改進設計*

袁紅剛張艷秋曾武尹子源

(中國船舶重工集團公司第七二六研究所上海201108)

論文針對船用電子設備某電源模塊進行了環境適應性改進設計。評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和驗證。采取的環境適應性改進設計，經加速試驗和后期使用驗證其合理有效。

電源模塊; 環境適應性; 腐蝕; 可靠性

Class NumberTG174

1　引言

某船用電子設備在使用期間的故障統計如圖1所示，其中電源模塊故障占53%。可見，提高該電源模塊的可靠性水平，成為提升整個設備質量的關鍵。

圖1　各類故障統計圖

該設備的電源模塊如圖2所示。

2　可靠性水平及影響因素分析

2.1可靠性水平統計

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

圖2　船用電子設備某電源模塊

這9塊電源模塊發生故障的時間從0.5年～4年不等，發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行設計制作，芯片采購某國內單位，進行灌封、制版、焊接后形成。對該芯片在相關行業應用的壽命進行調研，發現國內外相關廠家的同類產品的在行業下應用壽命達到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　核心芯片不同應用的壽命可靠性

通過調研發現，該電源模塊在該普通環境下的可靠性及壽命水平較高，但應用于該電源模塊中，可靠性水平明顯降低，需要從后續的設計、加工、制作、環境等分析原因。

2.2影響因素分析

針對電源模塊壽命不高現狀，從人員、設備、材料、環境等方面進行分析原因，總結出九個可能的因素，歸納于表1，并對可能因素逐個分析、確認。

表1　原因確認結果統計表

設計方面，通過現場檢查、專家評審，電路設計合理；工藝方面，經現場檢查、專家評審，焊接人員、設備、工藝滿足要求；材料方面，元器件合格并通過應力篩選；環境方面，除發現有強腐蝕性物質外，其余環境因素適宜。

對某故障的電源模塊進行拆解分析，發現芯片的灌封材料膨大，導致內部焊點脫離。

該電源模塊所處鋁筒密封圈未發現異常，鋁筒內也沒有可流動的液態油脂。推測電源模塊損壞可能是由于輕萘油以氣體分子形式通過橡膠密封圈滲透至鋁筒內，電源模塊的灌封材料吸收輕萘油后膨脹導致損壞。

3　環境影響因素驗證試驗

為了驗證推論，采用加速試驗的方法，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

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小時后對照圖

通過對比，發現灌封材料不耐油腐蝕，灌封材料吸收油分子后膨脹，導致該電源模塊故障。

可確認，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，發生故障的模塊平均壽命為2年，確認試驗通過48小時試驗即可復現故障，加速倍數約為400倍左右。

4　環境適應性改進設計

4.1設計方案

設計了兩種不同的灌封材料，通過性能測試、加速試驗對比分析兩種新灌封方案的可靠性。

新增的灌封設計方案1、方案2和原方案，如圖7所示。

4.2功能測試

針對新的灌封方案1和方案2，分別試制新的電源模塊，對其進行性能測試，對方案1、2電源模塊的測試結果如圖8所示。

圖7　灌封材料的對比

圖8　方案1、2測試結果

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

將方案1、方案2的電源模塊分別進行48h烤機試驗，均正常。

4.3耐油腐蝕性加速試驗

實際的設備中，該電源模塊并非浸泡于油中，而是受蒸發的油分子的腐蝕。浸泡試驗則比實際環境惡劣許多，為加速試驗。氣態油的密度約為油密度的千分之一，加速倍數理論上可達1000倍，在之前的故障確認試驗中，加速倍數約為400倍。保守估計，本文取加速因數位400。

對于方案1、方案2，分別采用20個樣本，在輕萘油中浸泡12h、24h、72h、120h，發生故障的數目統計如表2所示。

表2　耐油腐蝕性加速試驗結果

通過表2的對比分析結果，可以看出方案2的灌封材料耐油腐蝕的能力更強。

4.4試驗結果分析

通過加速試驗，方案2的20個電源模塊樣本通過240h的加速試驗，故障數為0，加速因數取400，可求出置信度為0.9下的可靠性參數估計。

其平均壽命單側置信下限為

其5年可靠度的單側置信下限為

經過預計計算，改進后，方案2設計的電源模塊5年可靠度可達0.95。

5　結語

最終采用的設計方案如圖9所示。

圖9　最終改進設計的電源模塊

對之前的15套設備進行更換，新增設備9套，共24套。截至2016年02月，未發生故障。通過環境適應性設計更改，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，高級工程師，研究方向：系統工程。張艷秋，女，碩士，高級工程師，研究方向：綜合保障設計。曾武，男，碩士，工程師，研究方向：電子工程。尹子源，男，高級工程師，研究方向：電子工程。

TG174

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.041