船用電子設(shè)備某電源模塊的環(huán)境適應(yīng)性改進設(shè)計*

袁紅剛　張艷秋　曾　武　尹子源

(中國船舶重工集團公司第七二六研究所　上?！?01108)

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船用電子設(shè)備某電源模塊的環(huán)境適應(yīng)性改進設(shè)計*

袁紅剛張艷秋曾武尹子源

(中國船舶重工集團公司第七二六研究所上海201108)

論文針對船用電子設(shè)備某電源模塊進行了環(huán)境適應(yīng)性改進設(shè)計。評估了該電源模塊的可靠性水平，列舉了影響該電源模塊壽命的可能因素并逐一確認(rèn)和驗證。采取的環(huán)境適應(yīng)性改進設(shè)計，經(jīng)加速試驗和后期使用驗證其合理有效。

電源模塊; 環(huán)境適應(yīng)性; 腐蝕; 可靠性

Class NumberTG174

1　引言

某船用電子設(shè)備在使用期間的故障統(tǒng)計如圖1所示，其中電源模塊故障占53%?？梢?，提高該電源模塊的可靠性水平，成為提升整個設(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵。

圖1　各類故障統(tǒng)計圖

該設(shè)備的電源模塊如圖2所示。

2　可靠性水平及影響因素分析

2.1可靠性水平統(tǒng)計

每套電子設(shè)備中有兩個該電源模塊，截至2011年09月，交付使用的15套設(shè)備(計30個電源模塊)中，有9個電源模塊不足5年發(fā)生故障。即電源模塊的失效率為30%，不能滿足設(shè)備的可靠性要求。

圖2　船用電子設(shè)備某電源模塊

這9塊電源模塊發(fā)生故障的時間從0.5年～4年不等，發(fā)生故障的模塊平均壽命為2年，具體如圖3所示。

該電源模塊由某所進行設(shè)計制作，芯片采購某國內(nèi)單位，進行灌封、制版、焊接后形成。對該芯片在相關(guān)行業(yè)應(yīng)用的壽命進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外相關(guān)廠家的同類產(chǎn)品的在行業(yè)下應(yīng)用壽命達到5年以上的概率分別為90%、98%，具體如圖4所示。

圖3　故障的電源模塊壽命分布

圖4　核心芯片不同應(yīng)用的壽命可靠性

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該電源模塊在該普通環(huán)境下的可靠性及壽命水平較高，但應(yīng)用于該電源模塊中，可靠性水平明顯降低，需要從后續(xù)的設(shè)計、加工、制作、環(huán)境等分析原因。

2.2影響因素分析

針對電源模塊壽命不高現(xiàn)狀，從人員、設(shè)備、材料、環(huán)境等方面進行分析原因，總結(jié)出九個可能的因素，歸納于表1，并對可能因素逐個分析、確認(rèn)。

表1　原因確認(rèn)結(jié)果統(tǒng)計表

設(shè)計方面，通過現(xiàn)場檢查、專家評審，電路設(shè)計合理；工藝方面，經(jīng)現(xiàn)場檢查、專家評審，焊接人員、設(shè)備、工藝滿足要求；材料方面，元器件合格并通過應(yīng)力篩選；環(huán)境方面，除發(fā)現(xiàn)有強腐蝕性物質(zhì)外，其余環(huán)境因素適宜。

對某故障的電源模塊進行拆解分析，發(fā)現(xiàn)芯片的灌封材料膨大，導(dǎo)致內(nèi)部焊點脫離。

該電源模塊所處鋁筒密封圈未發(fā)現(xiàn)異常，鋁筒內(nèi)也沒有可流動的液態(tài)油脂。推測電源模塊損壞可能是由于輕萘油以氣體分子形式通過橡膠密封圈滲透至鋁筒內(nèi)，電源模塊的灌封材料吸收輕萘油后膨脹導(dǎo)致?lián)p壞。

3　環(huán)境影響因素驗證試驗

為了驗證推論，采用加速試驗的方法，將完好的灌封后芯片放置在輕萘油中浸泡，如圖5所示。

圖5　電源浸泡輕萘油試驗

圖6中，左圖是浸泡前電源模塊的灌封材料外觀，右圖為浸泡48h之后的灌封外觀。

圖6　浸泡輕萘油48小時后對照圖

通過對比，發(fā)現(xiàn)灌封材料不耐油腐蝕，灌封材料吸收油分子后膨脹，導(dǎo)致該電源模塊故障。

可確認(rèn)，灌封材料耐油腐蝕能力差是引起該電源模塊可靠性不足的主要原因。

此外，如圖3所示，發(fā)生故障的模塊平均壽命為2年，確認(rèn)試驗通過48小時試驗即可復(fù)現(xiàn)故障，加速倍數(shù)約為400倍左右。

4　環(huán)境適應(yīng)性改進設(shè)計

4.1設(shè)計方案

設(shè)計了兩種不同的灌封材料，通過性能測試、加速試驗對比分析兩種新灌封方案的可靠性。

新增的灌封設(shè)計方案1、方案2和原方案，如圖7所示。

4.2功能測試

針對新的灌封方案1和方案2，分別試制新的電源模塊，對其進行性能測試，對方案1、2電源模塊的測試結(jié)果如圖8所示。

圖7　灌封材料的對比

圖8　方案1、2測試結(jié)果

從圖8中可以看出，輸入電壓相同時，電源模塊的輸出電壓分別為11.95V、11.81V，均可以正常工作。這兩種灌封材料對電路的性能影響不大，均可以滿足設(shè)備的工作需求。

將方案1、方案2的電源模塊分別進行48h烤機試驗，均正常。

4.3耐油腐蝕性加速試驗

實際的設(shè)備中，該電源模塊并非浸泡于油中，而是受蒸發(fā)的油分子的腐蝕。浸泡試驗則比實際環(huán)境惡劣許多，為加速試驗。氣態(tài)油的密度約為油密度的千分之一，加速倍數(shù)理論上可達1000倍，在之前的故障確認(rèn)試驗中，加速倍數(shù)約為400倍。保守估計，本文取加速因數(shù)位400。

對于方案1、方案2，分別采用20個樣本，在輕萘油中浸泡12h、24h、72h、120h，發(fā)生故障的數(shù)目統(tǒng)計如表2所示。

表2　耐油腐蝕性加速試驗結(jié)果

通過表2的對比分析結(jié)果，可以看出方案2的灌封材料耐油腐蝕的能力更強。

4.4試驗結(jié)果分析

通過加速試驗，方案2的20個電源模塊樣本通過240h的加速試驗，故障數(shù)為0，加速因數(shù)取400，可求出置信度為0.9下的可靠性參數(shù)估計。

其平均壽命單側(cè)置信下限為

其5年可靠度的單側(cè)置信下限為

經(jīng)過預(yù)計計算，改進后，方案2設(shè)計的電源模塊5年可靠度可達0.95。

5　結(jié)語

最終采用的設(shè)計方案如圖9所示。

圖9　最終改進設(shè)計的電源模塊

對之前的15套設(shè)備進行更換，新增設(shè)備9套，共24套。截至2016年02月，未發(fā)生故障。通過環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計更改，提高了可靠性、減少了維修成本。

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Environmental Adaptability Design of A Power-Module in Ship-Borne Electronic Equipment

YUAN HonggangZHANG YanqiuZENG WuYIN Ziyuan

(No.726 Research Institute of CSIC, Shanghai201108)

In this paper,the environmental adaptability design of a power-module in ship-borne electronic equipment is presented.The module reliability is evaluated, and possible causations which reduce the reliability are evaluated and verified.Through the accelerated test and customer-use，the adaptable design rationality and effectiveness is confirmed.

power-module, environmental adaptability, erosion, reliability

2016年4月9日,

2016年5月23日

袁紅剛，男，碩士，高級工程師，研究方向：系統(tǒng)工程。張艷秋，女，碩士，高級工程師，研究方向：綜合保障設(shè)計。曾武，男，碩士，工程師，研究方向：電子工程。尹子源，男，高級工程師，研究方向：電子工程。

TG174

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.041