淺論汽車發(fā)電機(jī)用DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器制造過程失效模式和控制計(jì)劃

胡云峰

（錦州東佑精工有限公司，遼寧 錦州 121007）

隨著社會(huì)科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們的消費(fèi)水平也在不斷提高，特別是大宗商品汽車的消費(fèi)不斷走進(jìn)千家萬戶，從而帶動(dòng)中國汽車業(yè)的快速發(fā)展，中國汽車零部件行業(yè)也隨之迅猛發(fā)展，汽車發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器和整流橋同比增長也超過10%，但是高端調(diào)節(jié)器和整流橋的自主設(shè)計(jì)和開發(fā)還是空白。目前，中國中、大型轎車發(fā)電機(jī)用高端調(diào)節(jié)器和整流橋主要還是依賴進(jìn)口，供貨期較長，價(jià)格偏高，而且發(fā)電機(jī)研發(fā)還往往受制于國外供應(yīng)商和研發(fā)機(jī)構(gòu)，這也嚴(yán)重阻礙了國內(nèi)高端產(chǎn)品的發(fā)展，為了滿足消費(fèi)者對高端產(chǎn)品的不斷需求，因此自主研發(fā)了汽車發(fā)電機(jī)用DBR多功能技術(shù)調(diào)節(jié)器替代進(jìn)口產(chǎn)品。

DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器在制造過程中出現(xiàn)失效模式不但影響汽車發(fā)電機(jī)的整體性能，而且直接影響到終端顧客的使用感受和人身安全。因此，針對汽車發(fā)電機(jī)用DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器過程失效模式進(jìn)行分析，并執(zhí)行有效的控制計(jì)劃，是控制高端汽車電控系統(tǒng)安全輸出的重要環(huán)節(jié)，對實(shí)現(xiàn)高端汽車發(fā)電機(jī)電子產(chǎn)品國產(chǎn)化，促進(jìn)中國汽車電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展具有重要的意義。

1 汽車發(fā)電機(jī)用DBR多功能調(diào)節(jié)器技術(shù)說明和創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 DBR多功能調(diào)節(jié)器技術(shù)說明

DBR調(diào)節(jié)器是Die（晶片）Bonding（鍵合）Regulator（調(diào)節(jié)器）的首字母縮寫，采用鋁線鍵合的方式將晶片各個(gè)端子與碳刷架上的預(yù)埋片連接起來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。Die直接粘貼在具有高效散熱功能的MCB鋁基板上，MCB板是采用熱點(diǎn)分離技術(shù)高溫壓制而成的鋁銅復(fù)合板，然后在銅層上設(shè)計(jì)電子線路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號傳導(dǎo)功能。晶片采用裸晶片的方式，集成度更高，電特性穩(wěn)定可靠。DBR多功能調(diào)節(jié)器晶片對比普通晶片，增加了軟加載功能及高溫保護(hù)、缺相保護(hù)、高壓保護(hù)、低壓保護(hù)、指示燈斷線診斷，及可連接ECU對整車工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控等功能。

1.2 DBR多功能調(diào)節(jié)器技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了程序燒錄功能，一款晶片可實(shí)現(xiàn)多種功能參數(shù)的設(shè)置 （燒錄），滿足不同客戶需求。

2）參數(shù)可重復(fù)燒錄，降低人為因素造成的不良率，節(jié)省不良成本。

3）采用串行通信技術(shù)，與整車ECU單線連通。

4）調(diào)節(jié)器的L端子與ECU斷開連接時(shí)，調(diào)節(jié)器仍能工作，相當(dāng)于普通的多功能調(diào)節(jié)器。

5）ECU可以對機(jī)械、電氣、溫度、通信和超時(shí)等各類錯(cuò)誤提供明確指令。

6）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，降低材料成本。DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品構(gòu)成部件共計(jì)9種，國內(nèi)普通調(diào)節(jié)器產(chǎn)品構(gòu)成部件11種，部件數(shù)量減少約22%，因此DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上簡化了，降低了材料成本。

7）采用鋁線鍵合技術(shù)將Die與刷架及MCB實(shí)現(xiàn)了信息通信。

8）首次采用MCB鋁銅復(fù)合板作為線路板實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，并提高了散熱效果；

9）電壓調(diào)節(jié)性能精度高，成本降低，提高了市場競爭力。

2 汽車發(fā)電機(jī)用DBR多功能調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)

2.1 DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品沿襲新技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品構(gòu)成部件共9種，分別是：碳刷架、散熱片、晶片、PCB、碳刷、彈簧、晶片蓋、防塵蓋、集電環(huán)防護(hù)罩。具體見圖1。

圖1 DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 DBR調(diào)節(jié)器性能指標(biāo)

2.2.1 電壓調(diào)節(jié)性能

DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器電壓調(diào)節(jié)性能與普通調(diào)節(jié)器性能相比，調(diào)節(jié)精度對比見表1。

2.2.2 溫升性能

DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品的靜態(tài)溫升性能見表2。

表2 DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)品的靜態(tài)溫升性能

DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器的L端子與ECU斷開連接時(shí)的主要性能（多功能調(diào)節(jié)器）：①軟加載功能；②ECU監(jiān)控功能；③過熱保護(hù)功能；④缺相保護(hù)功能；⑤高壓保護(hù)功能；⑥低壓保護(hù)功能；⑦指示燈斷線保護(hù)功能等。

3 DBR多功能調(diào)節(jié)器制造過程失效模式分析和控制計(jì)劃

一個(gè)多功能調(diào)節(jié)器產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的功能要求，首先在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行例如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、品質(zhì)等方面的先期策劃。進(jìn)入到制造階段后，對前期產(chǎn)品研發(fā)階段總結(jié)的PFMEA中RPN值和嚴(yán)重度S值超過規(guī)定紅線的制造過程要有相應(yīng)控制計(jì)劃輸出。DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器的整個(gè)制造過程由17個(gè)工位組成，具體見圖2。

圖2 DBR多功能調(diào)節(jié)器制造流程圖

在產(chǎn)品制造階段對過程失效模式進(jìn)行分析和針對的控制是至關(guān)重要的，是能否實(shí)現(xiàn)最終的合格產(chǎn)品滿足顧客要求的必要保證。對于DBR多功能調(diào)節(jié)器制造過程中常見的失效模式和控制方法進(jìn)行總結(jié)如下。

3.1 固晶和銀漿硬化強(qiáng)度不夠造成晶片溫度過高和松動(dòng)，致使晶片功能失效

晶片對于DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器來說是最重要的核心部件，DBR調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)電壓功能都是由晶片內(nèi)部程序來完成。對晶片在MCB基板上進(jìn)行固定和粘貼銀漿的硬化強(qiáng)度是制造過程的重要特性參數(shù)。晶片和MCB基板之間是由銀漿進(jìn)行粘貼連接。在MCB基板上進(jìn)行銀漿涂裝時(shí)，可能產(chǎn)生以下兩種失效模式。

1）銀漿過厚產(chǎn)生的失效模式為：晶片整體散熱不好，長時(shí)間內(nèi)部高溫會(huì)使晶片內(nèi)部電子線路和集成器件熔蝕造成短路或斷路，DBR調(diào)節(jié)器典型VSET功能失效現(xiàn)象如圖3所示。

2）銀漿過少產(chǎn)生的失效模式為：MCB基板和晶片粘貼不牢靠容易出現(xiàn)松動(dòng)和間隙。如圖4a所示晶片底部銀漿過少，晶片粘貼強(qiáng)度不夠造成脫落，晶片長時(shí)間震動(dòng)后，造成內(nèi)部構(gòu)件虛連，整體晶片功能時(shí)好時(shí)壞，性能出現(xiàn)OK和NG反復(fù)，最終成品可靠性失效，具體如圖4b所示。

圖3 調(diào)節(jié)器晶片功能失效

圖4 銀漿過少產(chǎn)生的失效模式

在整車中，一旦由于DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器的多功能輸出失效，如果車輛是在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)會(huì)造成車輛點(diǎn)火功能失效，車輛無法啟動(dòng)。如果車輛是在行駛狀態(tài)，那么嚴(yán)重的會(huì)造成車毀人亡的后果。為了預(yù)防上述過程失效模式的產(chǎn)生，在制造過程中制定控制計(jì)劃：①采用自動(dòng)固晶機(jī)進(jìn)行操作，銀漿用量控制在0.004g，AIR壓力控制：氮?dú)鈿鈮嚎刂品秶?00±50kPa，空氣氣壓控制在500±50kPa范圍。主氣壓表控制在0.5±0.1MPa，副氣壓表控制在0.2±0.02MPa。②銀漿硬化溫度控制在TEMP1-TEMP2 130±10℃，TEMP3-TEMP12 175±10℃。氮?dú)饬髁靠刂圃赟1：0，W1-W6、N1、D1：2±0.5l／min。③MCB表面溫度控制在160～175℃ （最低保持40min）。④晶片粘貼強(qiáng)度控制≥30kgf。⑤白鋼槽與矯形工裝的校準(zhǔn)點(diǎn)相貼合，防止晶片移位。

3.2 在晶片和MCB基板、碳刷架端子鍵合時(shí)，焊接不良造成的斷路現(xiàn)象

晶片通過鋁線和MCB基板、碳刷架端子進(jìn)行超聲波鍵合后，才能起到電子線路導(dǎo)通作用。整個(gè)DBR多功能調(diào)節(jié)器才真正有了心臟。而這些端子焊點(diǎn)的品質(zhì)決定著這個(gè)調(diào)節(jié)器功能輸出的品質(zhì)。造成焊接不良的原因有：①點(diǎn)焊電流過大，造成焊點(diǎn)擊穿。②焊接端子鍍層厚度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，造成焊接剝離強(qiáng)度不夠，如圖5所示。③焊接端子表面有異物，造成焊崩現(xiàn)象。如果焊接端子不良會(huì)使端子折斷、開裂、斷裂，直接導(dǎo)致調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路斷路。如圖6所示。

圖5 焊接端子鍍層厚度不符合標(biāo)準(zhǔn)

圖6 焊接端子不良

控制計(jì)劃：①在鍵合晶片端子時(shí)，電流控制在3400A，焊接壓力15kgf，鍵合時(shí)間0.25s。②鍵合機(jī)劈刀、引線槽及切線器的安裝狀態(tài)：劈刀的中心線與引線器槽中心線及切線器中心線對正且三者之間不相互干涉。劈刀校準(zhǔn)：水平垂直壓痕交疊成口字。③8mil鍵合拉力A、C處 ≥230gf，B處≥200gf；8mil鍵合推力≥350gf；10mil鍵合拉力A、C處 ≥300gf，B處 ≥240gf；10mil鍵合推力≥400gf。

3.3 調(diào)節(jié)器碳刷架內(nèi)注入密封膠過少、硬化強(qiáng)度不夠?qū)е聼o法保護(hù)晶片

晶片在安裝進(jìn)調(diào)節(jié)器刷架內(nèi)部后，為了晶片上元器件不受到外部因素影響而形成線路氧化、部件焊點(diǎn)氧化、各部件之間絕緣，要進(jìn)行密封膠的注入并進(jìn)行硬化。如果沒有按照控制計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)要求的硬化溫度和時(shí)間來進(jìn)行控制，那么硅膠就不會(huì)完全凝固，在調(diào)節(jié)器生產(chǎn)流動(dòng)時(shí)，硅膠會(huì)漏出刷架腔體造成內(nèi)部硅膠的缺失，晶片上的元器件會(huì)得不到硅膠的覆蓋。不固化的硅膠也不能起到保護(hù)晶片的作用。

在受到外部因素的影響時(shí)，晶片會(huì)進(jìn)入灰塵、氧化、水汽等，會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的潛在失效模式。由于注膠量過少和硬化強(qiáng)度不夠?qū)е碌木I合端子氧化、功能失效，在整個(gè)DBR多功能調(diào)節(jié)器制造過程中也是比較常見的失效模式，見圖7、圖8。

圖7 晶片鍵合端子氧化

控制計(jì)劃：①硬化溫度要控制在設(shè)定溫度：150℃，管理溫度：150±10℃。硬化時(shí)間要嚴(yán)格按照20min要求執(zhí)行。②硅膠量控制在1.2±0.1g（以完全覆蓋鍵合線為準(zhǔn)參考）。③AIR 壓力主氣壓表：0.5±0.1MPa，副氣壓表：0.1±0.02MPa。

3.4 碳刷端子點(diǎn)焊和碳刷伸出長度不良導(dǎo)致調(diào)節(jié)器電性能NG

調(diào)節(jié)器碳刷是起到和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接的作用，這樣調(diào)節(jié)器才能對發(fā)電機(jī)輸出的電壓起到調(diào)節(jié)作用。①點(diǎn)焊機(jī)電阻焊時(shí)產(chǎn)生大電流容易把焊接端子擊穿、斷裂，小電流會(huì)使焊接強(qiáng)度不夠，焊接端子易斷路。碳刷引線和碳刷架端子焊接不良直接導(dǎo)致DBR多功能調(diào)節(jié)器B+到F端斷路，在晶片內(nèi)不能形成電子回路，多功能輸出阻斷不能給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流。②調(diào)節(jié)器本身有兩個(gè)碳刷伸出端，兩個(gè)碳刷伸出端要長度一致。這樣在與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行接觸后會(huì)產(chǎn)生基本一致的碳刷磨損量，如果碳刷的磨損量不一致，會(huì)造成調(diào)節(jié)器的可靠性降低，產(chǎn)品的壽命將不能達(dá)到規(guī)定的時(shí)間。

圖8 功能失效

控制計(jì)劃：①碳刷端子點(diǎn)焊時(shí)對壓力、時(shí)間、電流進(jìn)行過程特性控制，控制參數(shù)見表3（壓力值4.0±0.5kgf／cm2，電流值公差≤5%）。②點(diǎn)焊電極研磨，每點(diǎn)焊800次研磨一次電極；8h更換一次電極或損壞時(shí)；電極高度22±0.5mm。③碳刷露出長度控制在11.3±1mm。④點(diǎn)焊后碳刷引線和碳刷架尾部端子的剝離強(qiáng)度≥4kgf。⑤對碳刷架尾部端子的鍍層控制在：鐵鍍銅1～2μm，鍍錫層2～3μm，表面不能有雜質(zhì)。

表3 控制參數(shù)

4 結(jié)束語

當(dāng)前，隨著科技的發(fā)展，汽車發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器已從原來單一的調(diào)節(jié)電壓作用逐步變成以顧客為導(dǎo)向的多功能定制產(chǎn)品，為了打破發(fā)電機(jī)用高端調(diào)節(jié)器主要還依賴進(jìn)口，且受制于國外供應(yīng)商和研發(fā)機(jī)構(gòu)的壁壘，滿足消費(fèi)者對高端產(chǎn)品的不斷需求，打造中國自主品牌，因此自主研發(fā)了DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器。以上對DBR技術(shù)調(diào)節(jié)器在制造過程中經(jīng)常出現(xiàn)的過程失效模式和控制計(jì)劃進(jìn)行了分析論述，希望對設(shè)計(jì)、研發(fā)、工程管理多功能調(diào)節(jié)器的專業(yè)技術(shù)人員，掌握多功能調(diào)節(jié)器過程失效模式快速分析和控制計(jì)劃的制定起到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)借鑒的作用，更好地為顧客提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和便捷的服務(wù)。