淺論汽車發(fā)電機(jī)用DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器制造過(guò)程失效模式和控制計(jì)劃

胡云峰

（錦州東佑精工有限公司，遼寧 錦州 121007）

隨著社會(huì)科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們的消費(fèi)水平也在不斷提高，特別是大宗商品汽車的消費(fèi)不斷走進(jìn)千家萬(wàn)戶，從而帶動(dòng)中國(guó)汽車業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)汽車零部件行業(yè)也隨之迅猛發(fā)展，汽車發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器和整流橋同比增長(zhǎng)也超過(guò)10%，但是高端調(diào)節(jié)器和整流橋的自主設(shè)計(jì)和開發(fā)還是空白。目前，中國(guó)中、大型轎車發(fā)電機(jī)用高端調(diào)節(jié)器和整流橋主要還是依賴進(jìn)口，供貨期較長(zhǎng)，價(jià)格偏高，而且發(fā)電機(jī)研發(fā)還往往受制于國(guó)外供應(yīng)商和研發(fā)機(jī)構(gòu)，這也嚴(yán)重阻礙了國(guó)內(nèi)高端產(chǎn)品的發(fā)展，為了滿足消費(fèi)者對(duì)高端產(chǎn)品的不斷需求，因此自主研發(fā)了汽車發(fā)電機(jī)用DBR多功能技術(shù)調(diào)節(jié)器替代進(jìn)口產(chǎn)品。

DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器在制造過(guò)程中出現(xiàn)失效模式不但影響汽車發(fā)電機(jī)的整體性能，而且直接影響到終端顧客的使用感受和人身安全。因此，針對(duì)汽車發(fā)電機(jī)用DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器過(guò)程失效模式進(jìn)行分析，并執(zhí)行有效的控制計(jì)劃，是控制高端汽車電控系統(tǒng)安全輸出的重要環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)現(xiàn)高端汽車發(fā)電機(jī)電子產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化，促進(jìn)中國(guó)汽車電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展具有重要的意義。

1 汽車發(fā)電機(jī)用DBR多功能調(diào)節(jié)器技術(shù)說(shuō)明和創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 DBR多功能調(diào)節(jié)器技術(shù)說(shuō)明

DBR調(diào)節(jié)器是Die（晶片）Bonding（鍵合）Regulator（調(diào)節(jié)器）的首字母縮寫，采用鋁線鍵合的方式將晶片各個(gè)端子與碳刷架上的預(yù)埋片連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。Die直接粘貼在具有高效散熱功能的MCB鋁基板上，MCB板是采用熱點(diǎn)分離技術(shù)高溫壓制而成的鋁銅復(fù)合板，然后在銅層上設(shè)計(jì)電子線路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳導(dǎo)功能。晶片采用裸晶片的方式，集成度更高，電特性穩(wěn)定可靠。DBR多功能調(diào)節(jié)器晶片對(duì)比普通晶片，增加了軟加載功能及高溫保護(hù)、缺相保護(hù)、高壓保護(hù)、低壓保護(hù)、指示燈斷線診斷，及可連接ECU對(duì)整車工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控等功能。

1.2 DBR多功能調(diào)節(jié)器技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了程序燒錄功能，一款晶片可實(shí)現(xiàn)多種功能參數(shù)的設(shè)置 （燒錄），滿足不同客戶需求。

2）參數(shù)可重復(fù)燒錄，降低人為因素造成的不良率，節(jié)省不良成本。

3）采用串行通信技術(shù)，與整車ECU單線連通。

4）調(diào)節(jié)器的L端子與ECU斷開連接時(shí)，調(diào)節(jié)器仍能工作，相當(dāng)于普通的多功能調(diào)節(jié)器。

5）ECU可以對(duì)機(jī)械、電氣、溫度、通信和超時(shí)等各類錯(cuò)誤提供明確指令。

6）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低材料成本。DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品構(gòu)成部件共計(jì)9種，國(guó)內(nèi)普通調(diào)節(jié)器產(chǎn)品構(gòu)成部件11種，部件數(shù)量減少約22%，因此DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化了，降低了材料成本。

7）采用鋁線鍵合技術(shù)將Die與刷架及MCB實(shí)現(xiàn)了信息通信。

8）首次采用MCB鋁銅復(fù)合板作為線路板實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，并提高了散熱效果；

9）電壓調(diào)節(jié)性能精度高，成本降低，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 汽車發(fā)電機(jī)用DBR多功能調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)

2.1 DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品沿襲新技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品構(gòu)成部件共9種，分別是：碳刷架、散熱片、晶片、PCB、碳刷、彈簧、晶片蓋、防塵蓋、集電環(huán)防護(hù)罩。具體見圖1。

圖1 DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 DBR調(diào)節(jié)器性能指標(biāo)

2.2.1 電壓調(diào)節(jié)性能

DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器電壓調(diào)節(jié)性能與普通調(diào)節(jié)器性能相比，調(diào)節(jié)精度對(duì)比見表1。

2.2.2 溫升性能

DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品的靜態(tài)溫升性能見表2。

表2 DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品的靜態(tài)溫升性能

DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器的L端子與ECU斷開連接時(shí)的主要性能（多功能調(diào)節(jié)器）：①軟加載功能；②ECU監(jiān)控功能；③過(guò)熱保護(hù)功能；④缺相保護(hù)功能；⑤高壓保護(hù)功能；⑥低壓保護(hù)功能；⑦指示燈斷線保護(hù)功能等。

3 DBR多功能調(diào)節(jié)器制造過(guò)程失效模式分析和控制計(jì)劃

一個(gè)多功能調(diào)節(jié)器產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的功能要求，首先在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行例如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、品質(zhì)等方面的先期策劃。進(jìn)入到制造階段后，對(duì)前期產(chǎn)品研發(fā)階段總結(jié)的PFMEA中RPN值和嚴(yán)重度S值超過(guò)規(guī)定紅線的制造過(guò)程要有相應(yīng)控制計(jì)劃輸出。DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器的整個(gè)制造過(guò)程由17個(gè)工位組成，具體見圖2。

圖2 DBR多功能調(diào)節(jié)器制造流程圖

在產(chǎn)品制造階段對(duì)過(guò)程失效模式進(jìn)行分析和針對(duì)的控制是至關(guān)重要的，是能否實(shí)現(xiàn)最終的合格產(chǎn)品滿足顧客要求的必要保證。對(duì)于DBR多功能調(diào)節(jié)器制造過(guò)程中常見的失效模式和控制方法進(jìn)行總結(jié)如下。

3.1 固晶和銀漿硬化強(qiáng)度不夠造成晶片溫度過(guò)高和松動(dòng)，致使晶片功能失效

晶片對(duì)于DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)是最重要的核心部件，DBR調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)電壓功能都是由晶片內(nèi)部程序來(lái)完成。對(duì)晶片在MCB基板上進(jìn)行固定和粘貼銀漿的硬化強(qiáng)度是制造過(guò)程的重要特性參數(shù)。晶片和MCB基板之間是由銀漿進(jìn)行粘貼連接。在MCB基板上進(jìn)行銀漿涂裝時(shí)，可能產(chǎn)生以下兩種失效模式。

1）銀漿過(guò)厚產(chǎn)生的失效模式為：晶片整體散熱不好，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)部高溫會(huì)使晶片內(nèi)部電子線路和集成器件熔蝕造成短路或斷路，DBR調(diào)節(jié)器典型VSET功能失效現(xiàn)象如圖3所示。

2）銀漿過(guò)少產(chǎn)生的失效模式為：MCB基板和晶片粘貼不牢靠容易出現(xiàn)松動(dòng)和間隙。如圖4a所示晶片底部銀漿過(guò)少，晶片粘貼強(qiáng)度不夠造成脫落，晶片長(zhǎng)時(shí)間震動(dòng)后，造成內(nèi)部構(gòu)件虛連，整體晶片功能時(shí)好時(shí)壞，性能出現(xiàn)OK和NG反復(fù)，最終成品可靠性失效，具體如圖4b所示。

圖3 調(diào)節(jié)器晶片功能失效

圖4 銀漿過(guò)少產(chǎn)生的失效模式

在整車中，一旦由于DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器的多功能輸出失效，如果車輛是在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)會(huì)造成車輛點(diǎn)火功能失效，車輛無(wú)法啟動(dòng)。如果車輛是在行駛狀態(tài)，那么嚴(yán)重的會(huì)造成車毀人亡的后果。為了預(yù)防上述過(guò)程失效模式的產(chǎn)生，在制造過(guò)程中制定控制計(jì)劃：①采用自動(dòng)固晶機(jī)進(jìn)行操作，銀漿用量控制在0.004g，AIR壓力控制：氮?dú)鈿鈮嚎刂品秶?00±50kPa，空氣氣壓控制在500±50kPa范圍。主氣壓表控制在0.5±0.1MPa，副氣壓表控制在0.2±0.02MPa。②銀漿硬化溫度控制在TEMP1-TEMP2 130±10℃，TEMP3-TEMP12 175±10℃。氮?dú)饬髁靠刂圃赟1：0，W1-W6、N1、D1：2±0.5l／min。③MCB表面溫度控制在160～175℃ （最低保持40min）。④晶片粘貼強(qiáng)度控制≥30kgf。⑤白鋼槽與矯形工裝的校準(zhǔn)點(diǎn)相貼合，防止晶片移位。

3.2 在晶片和MCB基板、碳刷架端子鍵合時(shí)，焊接不良造成的斷路現(xiàn)象

晶片通過(guò)鋁線和MCB基板、碳刷架端子進(jìn)行超聲波鍵合后，才能起到電子線路導(dǎo)通作用。整個(gè)DBR多功能調(diào)節(jié)器才真正有了心臟。而這些端子焊點(diǎn)的品質(zhì)決定著這個(gè)調(diào)節(jié)器功能輸出的品質(zhì)。造成焊接不良的原因有：①點(diǎn)焊電流過(guò)大，造成焊點(diǎn)擊穿。②焊接端子鍍層厚度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，造成焊接剝離強(qiáng)度不夠，如圖5所示。③焊接端子表面有異物，造成焊崩現(xiàn)象。如果焊接端子不良會(huì)使端子折斷、開裂、斷裂，直接導(dǎo)致調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路斷路。如圖6所示。

圖5 焊接端子鍍層厚度不符合標(biāo)準(zhǔn)

圖6 焊接端子不良

控制計(jì)劃：①在鍵合晶片端子時(shí)，電流控制在3400A，焊接壓力15kgf，鍵合時(shí)間0.25s。②鍵合機(jī)劈刀、引線槽及切線器的安裝狀態(tài)：劈刀的中心線與引線器槽中心線及切線器中心線對(duì)正且三者之間不相互干涉。劈刀校準(zhǔn)：水平垂直壓痕交疊成口字。③8mil鍵合拉力A、C處 ≥230gf，B處≥200gf；8mil鍵合推力≥350gf；10mil鍵合拉力A、C處 ≥300gf，B處 ≥240gf；10mil鍵合推力≥400gf。

3.3 調(diào)節(jié)器碳刷架內(nèi)注入密封膠過(guò)少、硬化強(qiáng)度不夠?qū)е聼o(wú)法保護(hù)晶片

晶片在安裝進(jìn)調(diào)節(jié)器刷架內(nèi)部后，為了晶片上元器件不受到外部因素影響而形成線路氧化、部件焊點(diǎn)氧化、各部件之間絕緣，要進(jìn)行密封膠的注入并進(jìn)行硬化。如果沒有按照控制計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)要求的硬化溫度和時(shí)間來(lái)進(jìn)行控制，那么硅膠就不會(huì)完全凝固，在調(diào)節(jié)器生產(chǎn)流動(dòng)時(shí)，硅膠會(huì)漏出刷架腔體造成內(nèi)部硅膠的缺失，晶片上的元器件會(huì)得不到硅膠的覆蓋。不固化的硅膠也不能起到保護(hù)晶片的作用。

在受到外部因素的影響時(shí)，晶片會(huì)進(jìn)入灰塵、氧化、水汽等，會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的潛在失效模式。由于注膠量過(guò)少和硬化強(qiáng)度不夠?qū)е碌木I合端子氧化、功能失效，在整個(gè)DBR多功能調(diào)節(jié)器制造過(guò)程中也是比較常見的失效模式，見圖7、圖8。

圖7 晶片鍵合端子氧化

控制計(jì)劃：①硬化溫度要控制在設(shè)定溫度：150℃，管理溫度：150±10℃。硬化時(shí)間要嚴(yán)格按照20min要求執(zhí)行。②硅膠量控制在1.2±0.1g（以完全覆蓋鍵合線為準(zhǔn)參考）。③AIR 壓力主氣壓表：0.5±0.1MPa，副氣壓表：0.1±0.02MPa。

3.4 碳刷端子點(diǎn)焊和碳刷伸出長(zhǎng)度不良導(dǎo)致調(diào)節(jié)器電性能NG

調(diào)節(jié)器碳刷是起到和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接的作用，這樣調(diào)節(jié)器才能對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的電壓起到調(diào)節(jié)作用。①點(diǎn)焊機(jī)電阻焊時(shí)產(chǎn)生大電流容易把焊接端子擊穿、斷裂，小電流會(huì)使焊接強(qiáng)度不夠，焊接端子易斷路。碳刷引線和碳刷架端子焊接不良直接導(dǎo)致DBR多功能調(diào)節(jié)器B+到F端斷路，在晶片內(nèi)不能形成電子回路，多功能輸出阻斷不能給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流。②調(diào)節(jié)器本身有兩個(gè)碳刷伸出端，兩個(gè)碳刷伸出端要長(zhǎng)度一致。這樣在與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行接觸后會(huì)產(chǎn)生基本一致的碳刷磨損量，如果碳刷的磨損量不一致，會(huì)造成調(diào)節(jié)器的可靠性降低，產(chǎn)品的壽命將不能達(dá)到規(guī)定的時(shí)間。

圖8 功能失效

控制計(jì)劃：①碳刷端子點(diǎn)焊時(shí)對(duì)壓力、時(shí)間、電流進(jìn)行過(guò)程特性控制，控制參數(shù)見表3（壓力值4.0±0.5kgf／cm2，電流值公差≤5%）。②點(diǎn)焊電極研磨，每點(diǎn)焊800次研磨一次電極；8h更換一次電極或損壞時(shí)；電極高度22±0.5mm。③碳刷露出長(zhǎng)度控制在11.3±1mm。④點(diǎn)焊后碳刷引線和碳刷架尾部端子的剝離強(qiáng)度≥4kgf。⑤對(duì)碳刷架尾部端子的鍍層控制在：鐵鍍銅1～2μm，鍍錫層2～3μm，表面不能有雜質(zhì)。

表3 控制參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，隨著科技的發(fā)展，汽車發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器已從原來(lái)單一的調(diào)節(jié)電壓作用逐步變成以顧客為導(dǎo)向的多功能定制產(chǎn)品，為了打破發(fā)電機(jī)用高端調(diào)節(jié)器主要還依賴進(jìn)口，且受制于國(guó)外供應(yīng)商和研發(fā)機(jī)構(gòu)的壁壘，滿足消費(fèi)者對(duì)高端產(chǎn)品的不斷需求，打造中國(guó)自主品牌，因此自主研發(fā)了DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器。以上對(duì)DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器在制造過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的過(guò)程失效模式和控制計(jì)劃進(jìn)行了分析論述，希望對(duì)設(shè)計(jì)、研發(fā)、工程管理多功能調(diào)節(jié)器的專業(yè)技術(shù)人員，掌握多功能調(diào)節(jié)器過(guò)程失效模式快速分析和控制計(jì)劃的制定起到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)借鑒的作用，更好地為顧客提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和便捷的服務(wù)。