電機(jī)控制器的可靠性風(fēng)險評估體系設(shè)計與應(yīng)用

史崢宇，向林，胡興，李星輝，舒心，孫丹丹

（湖南航天天麓新材料檢測有限責(zé)任公司，長沙 410313）

引言

電機(jī)控制器作為將電源直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需交流電的逆變器，是眾多傳動系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵部件。以電動汽車為例，電機(jī)控制器根據(jù)總控臺指令，將電池包的電能通過功率開關(guān)器件調(diào)制成特定幅值與頻率的電壓電流，從而驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生整車所需的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速[1]。

電動汽車對零部件可靠性的要求非常高，而作為電動汽車“三電”之一的電機(jī)控制器，是集強(qiáng)電轉(zhuǎn)換驅(qū)動、弱電檢測控制于一體的機(jī)電部件，其設(shè)計制造的復(fù)雜程度與服役應(yīng)用的嚴(yán)酷工況，對產(chǎn)品可靠性提出了更加苛刻的要求[2-3]。如何建立一套合理高效的可靠性工作體系，以指導(dǎo)電機(jī)控制器的可靠性管理與技術(shù)工作，一直是電機(jī)控制器的研發(fā)與驗(yàn)證工作的重點(diǎn)。

1 可靠性風(fēng)險評估體系設(shè)計

基于上述電機(jī)控制器的可靠性需求，我們圍繞電機(jī)控制器的研發(fā)制造提出了一套可靠性風(fēng)險評估體系，以達(dá)到保障和提高其一致性、穩(wěn)定性與可靠性的目的。

電機(jī)控制器的可靠性風(fēng)險評估體系整體架構(gòu)如表1所示，其設(shè)計原則與思路為：采用各類可靠性技術(shù)與管理工具[4-9]對電機(jī)控制器進(jìn)行多角度風(fēng)險評估分析，提升對潛在缺陷損傷與早期故障退化等的檢測與激發(fā)，使問題盡早盡多的暴露出來并反饋改進(jìn)，加強(qiáng)對產(chǎn)品物料、設(shè)計與生產(chǎn)等各環(huán)節(jié)的風(fēng)險管控。

表1 可靠性風(fēng)險評估體系整體架構(gòu)

2 可靠性風(fēng)險評估體系應(yīng)用

我們通過使用可靠性風(fēng)險評估體系中各個工具項點(diǎn)，暴露識別了多個電機(jī)控制器產(chǎn)品的潛在問題，包括物料選型的不匹配、設(shè)計不合理引入的缺陷、工藝制程帶來的損傷退化、包裝搬運(yùn)方式面臨的風(fēng)險等。通過改善識別的風(fēng)險項，達(dá)到了保障產(chǎn)品一致性與穩(wěn)定性，提升質(zhì)量與可靠性的目的。期間我們也對評估體系進(jìn)行了持續(xù)的完善優(yōu)化，隨著產(chǎn)品數(shù)據(jù)的積累，其產(chǎn)生的正向效果已越來越顯著，下面為可靠性風(fēng)險評估體系的一些工具項點(diǎn)的應(yīng)用示例。

2.1 物料技術(shù)審查應(yīng)用

通過對電子物料進(jìn)行技術(shù)審查，我們暴露了眾多物料選型或倉儲管理等問題。如應(yīng)用于控制板的某型塑封電源芯片（潮濕敏感度等級為3），通過聲學(xué)掃描判定其在回流焊工序前后皆有不合格品（如圖1所示，在綁定線框架位置存在較多分層，說明器件的塑封材料吸潮嚴(yán)重且耐溫特性較差），這推動了物料選型替代和設(shè)計優(yōu)化，降低控制板后期應(yīng)用的失效風(fēng)險，也成為向供應(yīng)商退貨索賠處理的重要依據(jù)。

圖1 某型塑封電源芯片聲學(xué)掃描出現(xiàn)分層

2.2 PCBA符合性檢查應(yīng)用

在對某型電機(jī)控制器的PCBA進(jìn)行符合性檢查時，我們發(fā)現(xiàn)了諸多因設(shè)計不當(dāng)引入的缺陷和工藝制程的不合格項。如某型PCB的電容焊盤下設(shè)計了散熱過孔，這會導(dǎo)致焊錫塌陷，出現(xiàn)虛焊假焊等現(xiàn)象，降低焊接力度、增加導(dǎo)通阻抗（如圖2(a)所示）；接插件的某一引腳焊接時潤濕異常，導(dǎo)致側(cè)面沒有爬錫的情況（如圖2(b)所示）；以及直插件焊接時潤濕異常，造成潤濕角大于90 °的情況（如圖2(c)所示）。

圖2 某型PCBA符合性檢查發(fā)現(xiàn)的不合格項

2.3 強(qiáng)化激發(fā)試驗(yàn)應(yīng)用

通過對電機(jī)控制器進(jìn)行強(qiáng)化激發(fā)的高加速壽命試驗(yàn)，我們激發(fā)暴露了許多設(shè)計不足之處。如某型控制器在高溫應(yīng)力（環(huán)境溫度≥100 ℃）下，出現(xiàn)整機(jī)無法正常下電故障，分析發(fā)現(xiàn)上下電回路中的一個NMOS開關(guān)管，其閾值電壓將隨溫度升高而降低（如圖3(a)所示）。而設(shè)計時未充分考慮高溫狀態(tài)下的參數(shù)漂移，這導(dǎo)致高溫進(jìn)行下電操作時，在源電壓未完全放電情況下，該NMOS的閾值電壓將低于柵極電壓而無法關(guān)管。通過將源電壓端的分壓電阻由30.1 kΩ增大為100 kΩ，可確保在源電壓偏差與閾值電壓漂移的極限情況下（如圖3(b)所示），仍能實(shí)現(xiàn)對該NMOS的穩(wěn)定開關(guān)控制。

圖3 HALT高溫時，NMOS閾值電壓漂移問題分析

2.4 返回件可靠性分析應(yīng)用

在針對電機(jī)控制器返回件的分析中，我們不但發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品的退化性失效，也發(fā)現(xiàn)了一些因操作而引起的故障。如對殼體與包裝底座的搬運(yùn)時，未充分識別旋變線束外露的風(fēng)險，使得線束存在被拉拽與刮擦的可能，線束面臨絕緣層開裂電芯外露、斷裂破損、短路漏電等風(fēng)險，甚至導(dǎo)致線端連接器的針腳變形退針、焊腳開裂脫落的情況（如圖4(a)所示）；經(jīng)三萬公里路試后，電機(jī)控制器的支撐電容因母線銅排高溫與機(jī)械應(yīng)力等影響導(dǎo)致電容殼體開裂，電容芯子薄膜吸潮后造成Y電容短路燒毀，這使得電機(jī)控制器在電性能上呈現(xiàn)絕緣耐壓性能下降（如圖4(b)所示）。

圖4 返回件可靠性分析發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品失效

2.5 失效分析應(yīng)用

市場售后返回一款電機(jī)控制器出現(xiàn)CAN報文丟失故障，在一系列電測試后鎖定到為MCU供電的3.3 V電源支路異常（正常供電應(yīng)為3.3 V，實(shí)測為2 V左右；功率電感兩端阻抗正常為mΩ級，實(shí)測達(dá)到kΩ級），經(jīng)無損檢查發(fā)現(xiàn)該電感的焊盤1呈現(xiàn)碎裂沙化狀（如圖5(a)所示）。破壞性推拉焊盤后發(fā)現(xiàn)焊接面的錫焊未充分潤濕聚集（如圖5(b)所示），且異常焊盤推力值（52 N）遠(yuǎn)低于正常推力值（95~115 N）。

圖5 功率電感的焊接形貌分析

此電感還應(yīng)用于眾多型號的電機(jī)控制器，初步檢查發(fā)現(xiàn)其他控制板的此型電感焊盤也有部分存在較為嚴(yán)重的散碎狀。因擔(dān)心此問題會引發(fā)批次性故障，故對此進(jìn)行了系統(tǒng)地試驗(yàn)檢測，對潛在的根本原因進(jìn)行了逐一驗(yàn)證排除與分析確認(rèn)：通過產(chǎn)線進(jìn)行人工壓按試驗(yàn)，排除了電感貼片過程中人工干預(yù)或物料過重等造成少錫的可能；檢查同塊板上其他元器件焊接情況，發(fā)現(xiàn)無此類異常，并回溯爐溫曲線檢查記錄，排除了回流焊溫度或時間不夠充分的可能；對電感物料的儲存使用進(jìn)行了回溯查驗(yàn)，并無超期情況和不合規(guī)之處。

但是在對庫存電感物料進(jìn)行顯微形貌觀察時，發(fā)現(xiàn)電感的焊腳粘有黑色粉狀異物，以及電感底部的焊腳周邊具有易碎性粉末狀物質(zhì)（如圖6(a)所示），經(jīng)切片確認(rèn)為電感的磁芯材料（如圖6(b)所示）。因此推測是物料焊接面受污染，回流焊時異物使焊錫不能有效熔融聚集引起的。為驗(yàn)證此推測，對異常樣品的焊接面選點(diǎn)進(jìn)行成分分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊盤中有大量Fe、Zr與Te等非錫膏中所含的金屬元素（如圖6(c)所示），而這些通常在電感磁芯材料中被廣泛應(yīng)用，對焊盤邊緣粉體材料的能譜分析也可對此進(jìn)行驗(yàn)證（如圖6(d)所示），結(jié)合其他數(shù)據(jù)支撐，確定了此類失效是因電感物料的焊腳被磁芯粉體污染所致。

圖6 電感焊接異常的根因分析

3 結(jié)語

本文針對電機(jī)控制器面臨的各類可靠性風(fēng)險，設(shè)計了一套全新的解決方案——可靠性風(fēng)險評估體系，分析了評估體系的應(yīng)用成效并輔以相應(yīng)示例來證明：通過持續(xù)運(yùn)行可靠性風(fēng)險評估體系，可以顯著提高電機(jī)控制器的一致性、穩(wěn)定性與可靠性。