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摘要:在電源模塊批量化生產初期,由于生產工藝不成熟導致了較高的故障率。針對“無電壓輸出冶和“帶載啟動異常冶兩類故障現象,查找出問題根源,通過設計應用電調工裝,完善電調、焊接工藝要求,更換灌封材料并在灌封前采取電路防護措施,使電源模塊故障率得到大幅度降低,提高了電子產品的可靠性。

關鍵詞:電源模塊;生產工藝;質量改進;產品可靠性

電源模塊具有體積小、功率密度大、防潮、抗振動、一致性好、應用簡單、可靠性高等優點,作為專用集成電路、數字信號處理器、微處理器、存儲器、現場可編程門陣列,以及其他數字或模擬負載提供電源的供應器,目前已得到廣泛應用。電源模塊是各類礦用電源、分站、傳感器等電子產品的動力源,其可靠性是監控系統等可靠運行的前提,也是保障煤礦安全生產的基礎。與集成式的解決方案相比,采用電源模塊可以按照標準性能的規定進行單獨設計和測試,節省開發時間、降低故障風險,當出現故障時只需將問題模塊予以更換即可,易于維修。在電源模塊批量應用初期,由于生產工藝不成熟,出現了較高的故障率,客戶滿意度不高。依照QC小組活動程序,按PDCA循環的模式,對電源模塊質量現狀進行了深入調查,設立攻關目標,應用調查表、排列圖、關聯圖、對策表等系列質量管理技術和方法,全面系統地分析了故障原因并確定主要原因。在此基礎上,制訂了改進對策表。實施改進后,電源模塊生產過程月故障率由最高時的5.3%降到0.54%,開箱不良率由最高的7.3%降為0,提高了電子產品的可靠性。

1現狀調查與原因分析

1.1現狀調查

分別對2015年1—4月生產過程中,以及同期發往煤礦現場的5V電源模塊故障情況進行了調查統計。繪制出故障率柱狀圖,統計發現,5V電源模塊的生產過程故障率為3.6%~5.3%,平均為4.5%,未達到生產過程故障率不大于2.0%的質量目標要求;用戶現場開箱不良率最高時達到7.3%,平均達5郾1%,開箱不良率未達到不超過1.0%的質量目標要求。

1.2故障分類

為有效降低故障率,對統計期間發現的117只故障電源模塊進行了故障定位分析和分類統計。制作故障類型排列圖。“無電壓輸出冶與“帶載啟動異常冶占總故障數的94.0%,是電源模塊故障的主要原因,解決好這兩項故障,理論上可將電源模塊故障率降到0.58%。如果措施得當,那么將電源模塊生產過程故障率及顧客現場開箱不良率均降低到1.0%以下完全可以實現。

2原因分析與確認

2.1原因分析

通過對采購、生產、檢驗等過程進行了解、分析,對造成無電壓輸出及帶載啟動異常的因素進行討論,利用頭腦風暴法整理得到兩類故障的原因關聯圖。

2.2主要原因確認

采用現場調查、驗證和試驗對比等方法,對引起5V電源模塊無電壓輸出及帶載啟動異常的10個末端因素制訂主要原因(要因)確認方法和確認標準,形成要因確認表。對10個末端因素逐一進行確認,發現“測試設備誤差大冶等6項因素為非要因(確認情況略),而“焊接工藝不完善冶“電調工藝不完善冶和“灌封膠固化影響冶等3項因素屬于要因,確認情況如下:

1)焊接工藝不完善。通過對當月生產的268只尚未進行樹脂灌封的電源模塊進行焊接工藝質量檢查發現:主芯片U1背部插接處全部未點焊,一旦受力則極易脫落;由于波峰焊缺陷,有107只電源模塊的電容C2/C3的4只管腳焊點存在凹陷、不牢固現象,有潛在接觸不良的可能性。導致這兩類現象大面積出現的主要原因是焊接工藝文件對主芯片U1背部插接處點焊和電容C2/C3管腳焊點的飽滿度未提出明確要求。

2)電調工藝不完善。對電源模塊在灌封前是否需要帶載老化進行測試驗證,選取100只通過了帶載老化測試的電源模塊,然后灌封樹脂,發現經過帶載老化的電源模塊,無一例出現輸出電壓測試異常或紋波測試異常現象。而對比測試的另一組100只未經帶載老化的電源模塊,有4只輸出電壓測試出現啟動異常,1只紋波測試異常。因此,需要對電調工藝進行調整,在灌封樹脂前增加帶載老化測試工序,減少電源模塊灌封后啟動異常和紋波異常故障。

3)灌封膠固化影響。由電源模塊提供動力源的各類電子產品主要用于煤礦含有爆炸性氣體的環境,為了保證電源模塊發生故障時不會引爆爆炸性氣體,必須用灌封膠對電源模塊逐一進行灌封。對無電壓輸出的80只電源模塊進行了拆解分析,其中主芯片接觸不良64只、電容管腳脫落11只、二極管接觸不良5只。經查閱相關文獻得知,用于灌封的酚醛樹脂膠的固化收縮率高達8%~10%,樹脂內部如果存在空氣、水氣,則樹脂干燥后會形成空隙,再加上溶劑的揮發作用都會產生較大內應力,一旦電子元器件焊接不牢,灌封膠固化收縮極易將器件管腳從電路板剝離,從而導致電源模塊無電壓輸出。

3改進措施及效果

3.1改進措施

針對前述3項要因,按照5H1W的思路制訂了改進措施,形成對策表,并逐一實施

1)明確焊接要求。針對脫焊、虛焊、焊接不牢等現象,通過修改焊接工藝文件,增加電容及主芯片焊接要求:對C2/C3電容的4只管腳用手工補焊替代波峰焊;對主芯片U1在其背部插接處進行對應手工點焊;每一焊點應飽滿無凹陷、無虛焊。

2)增加電調內容。為解決電源模塊帶載啟動異常問題,增加帶載老化工序。為提高老化效率,專門設計了電源板帶載老化及測試工裝。在電源模塊灌封前增加帶載(0.72A)老化8h的工藝要求,通過老化測試工序剔除啟動異常者,避免帶載啟動異常的電源模塊進入灌封工序。

3)優化灌封工藝。為解決酚醛樹脂膠灌封后因樹脂固化收縮造成電源模塊器件管腳脫落或接觸不良故障,采取了如下措施:用固化收縮率較低的環氧樹脂代替酚醛樹脂;將PCB設計更改為單面布器件和單板沉底機構,保證PCB在灌膠過程中的平衡;灌封前對電路板加刷三防漆3遍,使器件與灌封膠之間形成一層隔離膜,降低因灌封膠固化收縮引起器件管腳脫落或接觸不良的概率;灌封時對灌封膠進行充分攪拌以減少氣泡影響;灌封后增加烘干工序,減少灌封膠內所含的空氣、水氣產生空洞的影響,同時提高工序效率。

3.2效果檢查及鞏固

在明確焊接要求、增加電調內容、優化灌封工藝后,對按照新工藝生產出的首批376只電源模塊進行了可靠性試驗。按照GB/T2423.10—2008、GB/T4798.2—2008、GB/T2423.22—2012、GJB1032—90分別進行振動試驗、運輸試驗、溫度變化試驗和溫度循環試驗,按照GB/T17626—2006要求進行靜電放電抗擾度試驗和電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗。試驗結果顯示:該批產品未出現帶載啟動異常和無電壓輸出故障。對2015年8至11月間生產并發往現場的電源模塊進行持續跟蹤統計,電源模塊生產現場平均故障率為0.62%,用戶開箱不良率為0,均優于預定目標值1.0%。對4個月內生產過程中出現的9只故障電源模塊進行分類,其中輸出電壓值超限4只,輸出紋波超限3只,管腳斷裂2只,未出現無電壓輸出和帶載啟動異常現象。

可靠性試驗結果及批產品質量狀況證明,所采取的改進措施能夠有效解決無電壓輸出、帶載啟動異常的問題。為確保改進效果穩定,針對上述工藝改進措施完善了標準化手續。一是設計了電調工裝,修訂了《5V電源模塊調試作業指導書》;二是對焊接工序增加了焊接要求,編制了《5V電源板裝配圖》;三是優化了灌封工藝,更改了灌封用膠、增加了刷漆及烘干工藝,下發了《電路板刷漆工藝過程卡》。同時對科研、中試及生產人員就上述3個文件進行了宣貫,并制訂了培訓計劃,規定對新上崗、轉崗及6個月未進行該崗位操作的人員上崗前均需通過上述文件的學習培訓,年末對操作人員執行鞏固措施情況進行考核,確保改進措施持續有效。

4結語

對2015年11月之后生產的920只電源模塊持續跟蹤發現,按照改進后的工藝生產的電源模塊質量持續改善并趨于穩定,生產過程平均故障率為0.54%,用戶開箱故障率為0。從售后及安裝部門的跟蹤及反饋情況看,改進后的電源模塊現場使用3個月內未出現一例故障。提高了產品的客戶滿意度與認同感。改進后電子產品的內外部故障成本大幅降低,扣除改進增加的生產成本,按年產4000只計算,每年降本增效達61000元。

參考文獻:

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作者：朱正憲 單位：中煤科工集團重慶研究院有限公司