固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)可靠性研究與應(yīng)用

　　李?帥，張秀鳳

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　　摘?要：針對(duì)空調(diào)用固態(tài)繼電器因結(jié)構(gòu)不良導(dǎo)致金線彎曲現(xiàn)象，本文從固態(tài)繼電器失效機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)可靠性等方面進(jìn)行分析。通過器件失效機(jī)理、結(jié)構(gòu)對(duì)比、X-RAY等對(duì)器件進(jìn)行全方位分析論斷，分析結(jié)果表明：固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在質(zhì)量缺陷，在生產(chǎn)過程中因樹脂注入黏度，造成金線彎曲現(xiàn)象。本次從器件本身可靠性設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)整改，提升器件產(chǎn)品質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：固態(tài)繼電器；金線；彎曲；器件結(jié)構(gòu)

　　0 引言

　　固態(tài)繼電器(Solidstate Relays，SSR)是一種全部由固態(tài)電子元器件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件，它利用電子元件(如發(fā)光二極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性，將可控硅和光耦結(jié)合，把功率驅(qū)動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、高低壓隔離三個(gè)特點(diǎn)集成到一起。當(dāng)輸出端導(dǎo)通時(shí)，即使輸入端撤除后，輸出端將仍然導(dǎo)通直至到其兩端電壓降低到0為止，可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點(diǎn)開關(guān)”。SSR實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)(Vsr)對(duì)強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓)的控制。本文從SSR失效機(jī)理、失效因素等方面進(jìn)行分析，其整改方案思路可以為其他SSR廠家失效分析整改提供借鑒、參考意義。

　　1 事件背景

　　空調(diào)用固態(tài)繼電器引入A廠家器件后，售后工作可靠性表現(xiàn)不佳，通過X-RAY觀察發(fā)現(xiàn)內(nèi)部金線變形及綁定不良現(xiàn)象嚴(yán)重（如表1） ，同樣過程通過全檢也能發(fā)現(xiàn)金線綁定不良，問題急需進(jìn)行攻克解決。

　　2 IPM失效原因及失效機(jī)理分析

　　對(duì)固態(tài)繼電器原理圖及實(shí)物圖（如圖1 和圖2）核實(shí)，從SSR原理圖查看左側(cè)1、2、3、4引腳為低電壓輸入端，右側(cè)5、6、8為高電壓控制端。固態(tài)繼電器通過輸入端發(fā)光二極管發(fā)射，通過光電感應(yīng)控制6、8腳高壓輸出，來控制空調(diào)室內(nèi)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　對(duì)固態(tài)繼電器進(jìn)行X-RAY觀察，A廠家固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)是金線綁定進(jìn)行1引腳與3、4引腳短路（如圖3），B廠家固態(tài)繼電器是銅基板直接連接實(shí)現(xiàn)1引腳與3、4引腳短路（如圖4）。通過圖3、圖4對(duì)比，能明顯發(fā)現(xiàn)金線綁定結(jié)構(gòu)與銅框架一體結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，通過X-RAY觀察確定A廠家與B廠家輸入端結(jié)構(gòu)存在不同。

　　對(duì)A廠家、B廠家固態(tài)繼電器進(jìn)行開封，發(fā)現(xiàn)固態(tài)繼電器發(fā)射極A廠家與B廠家結(jié)構(gòu)有所不同。A廠家結(jié)構(gòu)為1引腳與3、4引腳通過金線綁定連接（如圖5），B廠家結(jié)構(gòu)1引腳與3、4引腳是銅框架一體結(jié)構(gòu)（如圖6），由于后工序進(jìn)行封裝樹脂流動(dòng)、過程周轉(zhuǎn)抖動(dòng)及其他異常，導(dǎo)致輸入端1引腳與3、4引腳金線綁定的變形及框架形變的異?，F(xiàn)象。

　　對(duì)A廠家固態(tài)繼電器開封后觀察金線綁定結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)由于綁定金線過長，在封裝時(shí)樹脂流動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致金線變形。B廠家由于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，開封后觀察不存在此類現(xiàn)象（如圖7）。

　　3 固態(tài)繼電器失效整改措

　　施整改措施將固態(tài)繼電器的輸入端結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)固態(tài)繼電器1引腳與3、4引腳的金線綁定結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，改成與B廠家結(jié)構(gòu)一致，使得1引腳與3、4引腳銅基板直接連接，實(shí)現(xiàn)發(fā)射極端1、3、4引腳框架結(jié)構(gòu)一體化，一體化后同樣實(shí)現(xiàn)直接短路，同時(shí)增加框架在生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性（如圖8）。

　　4 整改效果驗(yàn)證

　　整改后制品外觀上無差別，整改后制品與整改前制品在尺寸、結(jié)構(gòu)等性能參數(shù)方面數(shù)值保持一致。

　　核實(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)，整改后制品輸入端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，輸入端1引腳與3、4引腳由金線綁定改成一體化結(jié)構(gòu)（如圖9。其中，標(biāo)注①為發(fā)光二極管金線綁定，標(biāo)注②為結(jié)構(gòu)更改處，其他部分結(jié)構(gòu)不變），輸出端強(qiáng)電部分結(jié)構(gòu)不變，更改后弱電控制部分各項(xiàng)電性能參數(shù)不變。更改后避免了固態(tài)繼電器在生產(chǎn)過程中因樹脂流動(dòng)、過程周轉(zhuǎn)抖動(dòng)及其它異常，導(dǎo)致輸入端1引腳與3、4引腳金線綁定的變形及框架形變的異?，F(xiàn)象。

　　由于對(duì)輸入端弱電部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，器件半導(dǎo)體未做任何改動(dòng)，使用原來的發(fā)光二極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件，即做結(jié)構(gòu)調(diào)整后不影響器件整體性能方面的參數(shù)值。同步對(duì)整改后新制品在管腳性能參數(shù)、極限參數(shù)進(jìn)行測試，與整改前制品參數(shù)一致。器件單體性能及裝配整機(jī)性能測試驗(yàn)證均無異常。

　　5 固態(tài)繼電器失效整改總結(jié)及意義

　　通過對(duì)A廠家SSR產(chǎn)品單體結(jié)構(gòu)分析，并從SSR失效機(jī)理、失效因素、器件結(jié)構(gòu)可靠性等多方面進(jìn)行核實(shí)，同步對(duì)B廠家SSR產(chǎn)品單體結(jié)構(gòu)可靠性對(duì)比論證，發(fā)現(xiàn)需從器件本身進(jìn)行整改。對(duì)不同廠家SSR結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，從其他SSR優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行吸收優(yōu)化，對(duì)分析評(píng)估SSR結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化可以達(dá)到的借鑒要求，來提高產(chǎn)品可靠性，整改后效果明顯。

　　通過此次整改，器件引入開發(fā)時(shí)需對(duì)器件單體可靠性進(jìn)行詳細(xì)有效測試評(píng)估，通過與不同廠家對(duì)比結(jié)構(gòu)分析，提煉不同廠家結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，進(jìn)行推動(dòng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性，同步降低過程應(yīng)用及售后失效率。

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　　作者簡介：

　　李帥（1988-),男，助理工程師，研究方向：固態(tài)繼電器可靠性技術(shù)研究。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第72頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處