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          電解電容引腳受力的失效分析與研究

          作者:王少輝,楊守武,項永金 時間:2020-06-29 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

            王少輝,楊守武,項永金(格力電器(合肥)有限公司,安徽 合肥 230088)

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202006/414832.htm

            摘 要:家用外機控制器主板在應(yīng)用過程及售后出現(xiàn)拉腳故障失效突出,經(jīng)過對失效品分析及大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在缺陷。由于電路板設(shè)計要求小型化,整體設(shè)計布局比較緊湊,但針對特殊電路,如開關(guān)電源電路、通訊電路,為了濾除低頻交流雜波,均需要使用容量較大的,由于使用物料本身的封裝高度較高,在應(yīng)用過程中就導(dǎo)致電容引腳受力,最終出現(xiàn)輸出電壓值小,以及短路故障,使整個電路不能正常工作。本文從電容引腳受力拉腳的失效機理、器件本身、器件實際應(yīng)用電路等方面進行全面分析改善,有效解決了此故障失效。

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            0 引言

            電解電容是電容的一種,金屬箔為正極,與正極緊貼的金屬氧化膜是電介質(zhì),陰極由導(dǎo)電材料、電解質(zhì)和其他材料共同組成。電解電容的價格相比其它種類有壓倒性優(yōu)勢,因為組成材料是普通的工業(yè)材料,價格相對低廉,比如鋁等。制造電解電容的設(shè)備也都是普通的工業(yè)設(shè)備,可以大規(guī)模生產(chǎn),成本相對比較低。電解電容的使用范圍相當(dāng)廣泛,有電源的應(yīng)用電路往往會用到電解電容。

            家用外機控制器使用電解電容在應(yīng)用與售后失效較突出,其中最典型問題就是生產(chǎn)過程導(dǎo)致的電解電容引腳受力。由于受PCB板設(shè)計布局,以及特定電路的影響,必須使用容量較大的電解電容,導(dǎo)致電解電容本身封裝本體較高,在實際應(yīng)用,以及售后出現(xiàn)引腳受力故障,測試存在不穩(wěn)定現(xiàn)象??刂破鬟^程、售后控制器失效嚴(yán)重影響空調(diào)整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實際體驗效果,問題急需進行分析研究解決。

            1 電解電容拉腳失效原因及失效機理分析

            統(tǒng)計廠內(nèi)與售后電解電容引腳受力故障,共計出現(xiàn)在2個電路中:開關(guān)電源電路與通訊電路,2個電路故障均相同,均為電容本體受力,受力方式不同,電解電容本身比周圍器件封裝高。排查生產(chǎn)過程發(fā)現(xiàn)均為受過程裝配外力導(dǎo)致,電容本體受力,導(dǎo)致電容引腳受力。解剖故障品,查看故障品鋁箔鉚接點有受力破損痕跡,導(dǎo)致電容電性能失效,進而影響電路電源輸出值小等故障,此類故障測試存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。

            1.1 電解電容引腳受力拉腳失效產(chǎn)生原因

            開關(guān)電源電路本體受力歪斜情況下,對故障件進行多次測試,測試存在不穩(wěn)定現(xiàn)象,輕微晃動故障電容出現(xiàn)故障。該C58位置電容在主板上封裝比較高,從受力情況看,電容本體沒有受力痕跡,受力方向是由主板外側(cè)向內(nèi)受力,可排除電容本體受外力撞擊,分析為裝配時受力擠壓導(dǎo)致。排查廠內(nèi)生產(chǎn)過程發(fā)現(xiàn),該機型主板四通閥4 V針座距離故障電容較近,總裝接插線插裝四通閥線時電容有本體受力,導(dǎo)致電容引腳傾斜,且受力方向與售后故障一致。

            通訊電路電容本體受力歪斜情況下,裝配過程中火線連接線對電容本體有拉扯受力。此位置C0520電容設(shè)計布局靠近板邊,且周圍器件封裝均較矮,內(nèi)外機連接線在其周邊,廠內(nèi)周轉(zhuǎn)、裝配線時,導(dǎo)致電容本體受力因素較多,測試存在不穩(wěn)定現(xiàn)象,生產(chǎn)過程中有的電容引腳已經(jīng)拉斷,尤其過程失效較突出。

            1.2 電解電容拉腳失效機理分析

            電解電容內(nèi)部構(gòu)造平面圖如圖1所示,最外層是鋁外殼加套管,引線一直通到芯子內(nèi)部,導(dǎo)針與芯子鉚接。目前我司所采用的電解電容,內(nèi)部引子全部采用鉚接在鋁箔上的方式,引腳與芯子之間通過膠塞隔離。膠塞是非常重要的部材之一,直接與電容的密封性與穩(wěn)定性有關(guān),對引腳起到固定作用,使引腳可以承受一定程度的外力。

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            電容安裝在PCB板上,本體傾斜后,電容引腳就會受力,通過導(dǎo)針給芯子內(nèi)部施加了較大的外力,使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,最終導(dǎo)致電容電性能發(fā)生變化。電容受力傾斜。

            電容內(nèi)部導(dǎo)針鉚接圖如圖2所示,電解電容正負(fù)極鋁箔均與導(dǎo)針鉚接在一起,鉚接點比較平滑,內(nèi)部接觸良好。

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            電容內(nèi)部導(dǎo)針鉚接處受力如圖4所示,鉚接處鋁箔周邊已破損,輕微破損鋁箔對電性能有影響,受力過大直接導(dǎo)致鉚接花瓣以及鋁箔件刺穿電解紙,造成短路或電容量小等故障。

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            2 電路設(shè)計核查與對比分析

            失效電解電容應(yīng)用于我司變頻空調(diào)外機主板上,失效位置及電路集中。在電路中主要作用是對直流電源進行濾波,濾除電源中的交流成分,使直流電壓更穩(wěn)定。電容把電壓的變動轉(zhuǎn)化為電流的變化,頻率越高,峰值電流越大,從而緩沖了電壓,保證后電路電壓的穩(wěn)定。濾波就是充電、放電的過程。

            2.1 開關(guān)電源電路

            開關(guān)電源電路輸出原理圖如圖4所示,輸出端3個電解電容的主要作用是進一步濾除電路中殘留交流成分,使其輸出直流電壓波形更平滑,保證之后電路器件能有穩(wěn)定正常的工作電壓。此處電解電容主要是儲能,濾波,平滑波形作用。

            2.2 外機控制板通訊電路

            此外機通訊電路為強電零火線通訊,通訊原理圖如圖5所示,通訊電源為220 V交流電,經(jīng)過半波整流、通過C2電解電容濾波得到平滑的直流電。此電容主要是對半波整流直流電源進行濾波、將交流成分濾波掉,使其輸出信號更平滑穩(wěn)定。利用其充放電特性,使整流后的脈動直流電壓變成相對穩(wěn)定的直流電壓。

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            3 電解電容引腳受力拉腳的解決方案

            經(jīng)實際應(yīng)用以及驗證分析,受設(shè)計影響,生產(chǎn)過程應(yīng)用以及裝配操作時,受外力因素不能有效控制。生產(chǎn)過程以及售后受外力不可控因素太多,且無法改變。采用以下3個方案均可以改善,具體如圖6所示電解電容引腳受力改善方案。

            綜合各方面因素,如人力,裝配可操作性,節(jié)能、省成本等,確認(rèn)方案1不可行,方案2可以臨時過渡,采用方案3是最有效的解決方案,且可以大面積推廣到其它相同類型主板,節(jié)省了人力與物力。采用方案3改成電解電容現(xiàn)已在應(yīng)用過程大批量使用,使用效果良好,應(yīng)用過程以及售后再未見有此故障失效。

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            3.1 對電路設(shè)計進行改善

            對電路設(shè)計進行改善,受PCB板布局,以及器件高度密集集中化限制,改善難度較大,等于是重新開發(fā)新的產(chǎn)品。重新改設(shè)計、開模,實驗驗證等周期較長,且浪費人力與物力較多,此方案不可行。

            3.2 對電解電容處打膠

            在生產(chǎn)過程中,對電容本體進行打膠處理,打膠防護如圖7所示,當(dāng)受外力時,可以起到防護作用,抗外力效果顯著,受電容封裝較高限制,大的外力也會有受力隱患。打膠需要安排專人打膠,需要膠棒,且膠槍耗電較大。此改善不僅增加了人力成本,也浪費了資源,也不節(jié)能,短期使用可以。

            3.3 開發(fā)新的電容物料

            在原有設(shè)計不變的情況下,開發(fā)新的物料,采用矮封裝結(jié)構(gòu),對電解電容的高度進行降低,且各項性能不發(fā)生變化。開發(fā)單個物料,其開發(fā)周期、開發(fā)進度以及后期的實驗結(jié)果均比較快,可以大面積推廣到其它同類型主板,省時省力。

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            目前已針對不同通訊電路與開關(guān)電源電路,開發(fā)出220 μF、470 μF、1 000 μF三款矮封裝電解電容,由于電路在外機控制器比較通用,現(xiàn)已在多個型號主板使用。如圖8所示更改前后尺寸對比圖,可以看出:更改前后封裝高度尺寸差別明顯,且均比周邊大的器件高度低,可有效杜絕電容引腳受力故障的發(fā)生。

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            4 結(jié)語

            通過產(chǎn)品實際應(yīng)用過程中的問題反饋信息及對器件單體及應(yīng)用電路綜合分析,本文從電解電容的產(chǎn)品構(gòu)造、工作原理、引腳受力的失效機理、失效因素、器件應(yīng)用電路等方面進行分析,確定整改方向, 將電解電容引腳受力拉腳故障徹底解決。

            參考文獻:

            [1] 徐友龍.鋁電解電容器技術(shù)的新進展[J].電子元件與材料,2008,27(9):5-7.

           ?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a(chǎn)品世界》2020年第07期第31頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。)



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