基于可靠性技術(shù)的UVC紫外殺菌燈質(zhì)量控制研究

0   引言

健康是人類不懈的追求，人們對健康的認知隨著生活水平和社會的發(fā)展不斷提高，20 世紀70 年代開始，紫外殺菌技術(shù)逐步應用于污水處理、工業(yè)消毒等領域。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致二次污染以及殺菌效果可量化等優(yōu)點而被用于空調(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)送風的空氣的質(zhì)量更加潔凈，實現(xiàn)此功能達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。

圖1 UVC紫外殺菌燈實物圖

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。

圖2 UVC紫外殺菌燈結(jié)構(gòu)設計圖

1   UVC紫外殺菌失效原因及失效機理分析

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)境應力器件脫焊、密封性密封不良、受力連接線斷、電路設計燈不亮。

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。

圖3 脫焊

圖4 虛焊

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。

圖5 破損

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。

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

圖6 連接線斷開

圖7 焊接點脫落

1.4 燈不亮類分析

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

2   UVC紫外殺菌可靠性分析

2.1 焊接異常

焊盤尺寸設計：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%；焊接異常導致虛焊現(xiàn)象，焊盤錫膏覆蓋不均勻。

圖8 虛焊

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

圖9 0.50mm×0.80mm結(jié)構(gòu)

圖10 燈珠脫落

2.2 密封不良

連接線未打膠圈固定位置，潮態(tài)試驗后模塊內(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

連接線抗機械應力不足導致拉斷，受力拉斷，測試數(shù)據(jù)不足45N，在裝配時容易受力斷開。

表1 對比電機及UVC紫外殺菌燈線差異

圖11 未打膠圈

圖12 鋁基板

圖13 測試拉斷

2.4 電路設計方面—UVC-LED燈珠電路

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

圖14 電路設計

2.5 電路設計方面——過壓保護電路

紫外殺菌燈的MT782 恒流驅(qū)動芯片在BUCKBOOST工作模式下當負載（LED）開路或負載（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12V的環(huán)境下，去掉LED 時齊納二極管的穩(wěn)壓在12V左右，未去掉LED 的模塊壓降6V左右，根據(jù)電源疊加原理，故而第1 個LED 的電壓會出現(xiàn)24~31V，第2 個LED 電壓會有18~25 V。模擬電路電壓在會出現(xiàn)高于（40V×0.75）的現(xiàn)象。

圖15 PCB板電路結(jié)構(gòu)

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)及電路設計，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，提高抗機械應力能力；

4）電路設計優(yōu)化，UVC-LED 燈珠線路設計優(yōu)化，并增加過壓保護電路。

4   整改方案可靠性驗證

UVC 紫外殺菌燈整改后再經(jīng)過可靠性驗證：

4.1 焊接優(yōu)化

設計PCB 焊盤尺寸由0.50 mm×0.80mm 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。

圖16 PCB焊盤

對之前的75%鋼網(wǎng)開口大小調(diào)整，調(diào)整到焊盤面積的基礎上加大10%，間距保持不變，四周倒0.03 mm的圓角。

圖17 UVC-LED 燈珠

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

表2 推力值對比測試

4.2 密封處理

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

圖18 未打膠固定

圖19 打膠固定

4.3 線徑增加

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

圖20 殺菌燈線

圖21 電機線

機械應力實驗：隨機抽取整改前后樣品各5 pcs 測試拉力，受力拉斷值提升2 倍。

表3 拉力值對比測試

4.4 電路設計——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。

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

電路設計可靠性驗證：UVC-LED 燈珠和TVS 二極管并聯(lián)，3 個單元電路串聯(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：

圖22 燈珠電路優(yōu)化后

圖23 無過壓保護電路

圖24 有過壓保護電路

圖25 去掉燈珠

圖26 去掉TVS二極管

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、失效機理分析及結(jié)構(gòu)可靠性等多方面進行核實，經(jīng)過對UVC 紫外殺菌燈結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、電路設計可靠性對比論證，發(fā)現(xiàn)需從UVC 紫外殺菌燈本身進行整改。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行詳細有效測試評估，通過對比結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、電路設計分析，提煉結(jié)構(gòu)優(yōu)勢、參數(shù)優(yōu)勢，進行推動優(yōu)化器件整體性能，以提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻：

[1] 吳曉麗.解析IEC 60335-2-40:2018中紫外殺菌功能空調(diào)器的安全要求[J].質(zhì)量與認證,2018(11):73-78.

[2] 丁有生.紫外殺菌燈技術(shù)與應用的發(fā)展[J].燈與照明,2015(2):19-24.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）