基于可靠性技術(shù)的UVC紫外殺菌燈質(zhì)量控制研究

李帥

摘要：針對高端空調(diào)機(jī)型使用UVC紫外殺菌燈模塊存在各類生產(chǎn)過程問題，從UVC紫外殺菌燈模塊失效機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)可靠性性能等方面，進(jìn)行研究對比分析。通過對UVC紫外殺菌燈模塊失效機(jī)理分析、器件結(jié)構(gòu)對比、X-RAY、超景深微鏡、QT-2等設(shè)備對模塊進(jìn)行全面分析論斷，結(jié)果表明：UVC紫外殺菌燈在環(huán)境應(yīng)力器件脫焊、密封性密封不良、受力連接線斷、電路設(shè)計(jì)燈不亮方面存在設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致最終使用失效。本次從UVC紫外殺菌燈模塊本身可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行整改優(yōu)化，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： UVC紫外殺菌燈；脫焊；密封不良；線斷；電路設(shè)計(jì)

0 引言

健康是人類不懈的追求，人們對健康的認(rèn)知隨著生活水平和社會的發(fā)展不斷提高，20世紀(jì)70年代開始，紫外殺菌技術(shù)逐步應(yīng)用于污水處理、工業(yè)消毒等領(lǐng)域。90年代隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，紫外殺菌憑借其特有的環(huán)保潔凈特性在歐美國家得到廣泛的應(yīng)用。

人們對空氣質(zhì)量的關(guān)注促使殺菌空氣調(diào)節(jié)器的迅速誕生，紫外殺菌系統(tǒng)作為凈化功能的一種手段，因其屬于物理殺菌不會導(dǎo)致二次污染以及殺菌效果可量化等優(yōu)點(diǎn)而被用于空調(diào)器中。

空調(diào)用紫外殺菌燈：由 UVC-LED 燈珠（UVC-LED芯片、陶瓷支架、藍(lán)寶石蓋板）、恒流驅(qū)動芯片 IC、石英玻璃等組成的部件。

隨著人們生活水平的不斷提高，對生活質(zhì)量有更高的要求，空調(diào)送風(fēng)的空氣的質(zhì)量更加潔凈，實(shí)現(xiàn)此功能達(dá)到殺菌作用且不會產(chǎn)生副作用的物理殺菌，首推 UVC 紫外殺菌燈。

行業(yè)使用 UVC 紫外殺菌以來，包含基于紫外殺菌燈涉及不同規(guī)格的型號，過程及售后故障率年年呈上升趨勢。高端機(jī)型中的使用逐年增加，質(zhì)量形勢不容樂觀，解決問題也勢在必行。

1 UVC紫外殺菌失效原因及失效機(jī)理分析通過總結(jié)過程以及售后的失效數(shù)據(jù)，可將故障分為四大類：環(huán)境應(yīng)力器件脫焊、密封性密封不良、受力連接線斷、電路設(shè)計(jì)燈不亮。

1.1焊接類分析

故障件外在表現(xiàn)為器件破損、脫焊、脫落，功能已失效，在放大鏡下可見焊接異常及明顯的器件脫落。

1）脫焊不良：表現(xiàn)為 UVC-LED 燈珠存在脫焊現(xiàn)象。

2）虛焊不良：表現(xiàn)為 UVC-LED 燈珠存在虛焊現(xiàn)象。

3）破損分析：發(fā)光二極管邊緣部分存在破損，放大鏡下觀察有明顯的受力點(diǎn)。

1.2密封不良

UVC-LED 燈珠附近有水分。

1.3線斷類分析

連接線斷開、焊接點(diǎn)脫落，故障現(xiàn)象存在不穩(wěn)定。

線徑斷開：連接線容易受力斷開。

焊接點(diǎn)脫落：線端焊接不良，導(dǎo)致容易出現(xiàn)脫焊、虛焊現(xiàn)象。

1.4燈不亮類分析

發(fā)光二極管其中一個(gè)失效后，整體所有燈均存在不良現(xiàn)象，屬于設(shè)計(jì)上的缺陷。

2 UVC紫外殺菌可靠性分析

2.1焊接異常

焊盤尺寸設(shè)計(jì)：測試 PCB 板燈珠焊盤尺寸略偏大（原尺寸0.50 mm ×0.80 mm） ， 貼片后，回流焊接，部分WICOP 芯片發(fā)生輕微移位，形成偏移，發(fā)生位移量<焊盤尺寸50%；

焊接異常導(dǎo)致虛焊現(xiàn)象，焊盤錫膏覆蓋不均勻。

鋼網(wǎng)尺寸設(shè)計(jì)：鋼網(wǎng)尺寸設(shè)計(jì)不規(guī)范，從焊盤焊接角度上，錫膏覆蓋焊盤不全，導(dǎo)致存在錫少現(xiàn)象，焊接不充分，存在脫落隱患。

2.2密封不良

連接線未打膠圈固定位置，潮態(tài)試驗(yàn)后模塊內(nèi)部鋁基板有水份。且存在受力，使其密封不良及線拉斷現(xiàn)象。

2.3連接線斷

連接線抗機(jī)械應(yīng)力不足導(dǎo)致拉斷，受力拉斷，測試數(shù)據(jù)不足45 N，在裝配時(shí)容易受力斷開。

2.4電路設(shè)計(jì)方面—UVC-LED 燈珠電路

紫外殺菌燈的 UVC-LED 燈珠其中一個(gè)失效后，整體所有燈均存在不良現(xiàn)象，電路中對 UVC-LED 燈珠無防護(hù)器件，電路的 UVC-LED 燈珠進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計(jì)，對電路可靠性評估存在不足。

2.5電路設(shè)計(jì)方面——過壓保護(hù)電路

紫外殺菌燈的 MT782 恒流驅(qū)動芯片在 BUCKBOOST 工作模式下當(dāng)負(fù)載（LED）開路或負(fù)載（LED性能不良）不良情況下，輸出電壓會高于（40 V×0.75），易造成芯片內(nèi) MOS 管擊穿。

在外接 12 V 的環(huán)境下，去掉 LED 時(shí)齊納二極管的穩(wěn)壓在 12 V 左右，未去掉 LED 的模塊壓降 6 V 左右，根據(jù)電源疊加原理，故而第 1 個(gè) LED 的電壓會出現(xiàn)24～31 V，第 2 個(gè) LED 電壓會有 18～25 V。模擬電路電壓在會出現(xiàn)高于（40 V×0.75）的現(xiàn)象。

3 UVC紫外殺菌燈優(yōu)化方案

通過對 UVC 紫外殺菌性能參數(shù)、整配結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)需要從如下方面提高 UVC 紫外殺菌燈的可靠性：

1）焊接優(yōu)化，對 PCB 板焊盤尺寸、鋼網(wǎng)尺寸調(diào)整，提高燈珠及 PCB 板焊接的可靠性；

2）線徑增加，提高連接線的抗拉能力；

3）密封處理，提高抗機(jī)械應(yīng)力能力；

4）電路設(shè)計(jì)優(yōu)化，UVC-LED 燈珠線路設(shè)計(jì)優(yōu)化，并增加過壓保護(hù)電路；

3）密封處理，提高抗機(jī)械應(yīng)力能力；

4）電路設(shè)計(jì)優(yōu)化，UVC-LED 燈珠線路設(shè)計(jì)優(yōu)化，并增加過壓保護(hù)電路；

4整改方案可靠性驗(yàn)證

UVC 紫外殺菌燈整改后再經(jīng)過可靠性驗(yàn)證：

4.1焊接優(yōu)化

設(shè)計(jì) PCB 焊盤尺寸由0.50 mm ×0.80 mm 更改為0.45 mm ×0.75 mm，燈珠回流焊接后未再出現(xiàn)明顯偏移，新錫膏貼片后對燈珠進(jìn)行推力測試10件，結(jié)果均大于2 kgf。

鋼網(wǎng)尺寸： UVC-LED 燈珠測試尺寸為0.46 mm ×0.70 mm，在封裝0201（0.30 mm ×0.60 mm）及0402（0.50 mm ×1.00 mm）元件之間。

在外接12 V 的環(huán)境下，去掉 LED 時(shí)齊納二極管的穩(wěn)壓在12 V 左右，未去掉 LED 的模塊壓降6 V 左右，根據(jù)電源疊加原理，故而第1個(gè) LED 的電壓會出現(xiàn)24～31 V，第2個(gè) LED 電壓會有18～25 V 。模擬電路電壓在會出現(xiàn)高于（40 V ×0.75）的現(xiàn)象。

燈柱焊接可焊性可靠性實(shí)驗(yàn)：隨機(jī)抽取整改前后樣品各5 pcs 測試推力，受推力值提升60%。

4.2密封處理

增加連接與塑殼之間進(jìn)行打膠固定，提供連接線抗拉能力，并提高其 UVC 模塊密封性。

4.3線徑增加

連接線抗機(jī)械應(yīng)力不足導(dǎo)致拉斷，調(diào)整增加線束數(shù)量及線束直徑，提高抗拉能力。

機(jī)械應(yīng)力實(shí)驗(yàn)：隨機(jī)抽取整改前后樣品各5 pcs 測試?yán)Γ芰瓟嘀堤嵘?倍。

4.4電路設(shè)計(jì)——UVC-LED 燈珠電路

在串聯(lián) UVC-LED 燈珠電路中，增加 TVS 二極管，在電路中起著穩(wěn)壓的作用，在外部有大電壓的情況下，穩(wěn)定 UVC 模塊的電壓值。

電路設(shè)計(jì)—過壓保護(hù)電路： MT7282恒流驅(qū)動芯片由 BUCK-BOOST 模式更改為BOOST 模式。增加保險(xiǎn)絲。焊線圖 LED-電源線焊接到 U1第4 pin 上。

電路設(shè)計(jì)可靠性驗(yàn)證：UVC-LED 燈珠和 TVS 二極管并聯(lián)，3 個(gè)單元電路串聯(lián)。若只去掉燈珠，或者只去掉 TVS 二極管，電路能夠正常工作。如圖所示：

5 UVC紫外殺菌燈失效整改總結(jié)及意義

本文結(jié)合失效樣品分析，對 UVC 紫外殺菌燈失效原因、失效機(jī)理分析及結(jié)構(gòu)可靠性等多方面進(jìn)行核實(shí)，經(jīng)過對 UVC 紫外殺菌燈結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、電路設(shè)計(jì)可靠性對比論證，發(fā)現(xiàn)需從 UVC 紫外殺菌燈本身進(jìn)行整改。通過對比分析方法，優(yōu)化 UVC 紫外殺菌燈可靠性方面數(shù)據(jù)，從 UVC 紫外殺菌燈本身提高器件的整體可靠性。

通過此次整改，對 UVC 紫外殺菌燈可靠性進(jìn)行詳細(xì)有效測試評估，通過對比結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、電路設(shè)計(jì)分析，提煉結(jié)構(gòu)優(yōu)勢、參數(shù)優(yōu)勢，進(jìn)行推動優(yōu)化器件整體性能，以提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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