整流组件失效模式分析与可靠性设计

1整流组件失效模式分析与可靠性设计一、 汽车交流发电机整流组件失效模式对大量失效的整流组件进行分析，组件失效模式主要有以下几种：a、二极管引线与连接片焊接处焊料熔化脱落;b、引线与管芯焊接处焊料熔化脱落;c、硅片表面镀镍层不佳造成焊接空洞、假焊或镍层脱落;d、管芯与管座(或极板) 间焊接处焊料熔化造成管芯脱落、环氧开裂上翘。从以上的分析中知整流组件的失效模式都与焊接工艺和焊料有关。为了便于分析产生以上四种故障模式的原因，我们就国内常用的整流组件生产工艺和整流组件在交流发电机中实际工作状况作简要介绍。二、 国内常用的整流组件生产工艺的简介1、 缙云管芯的简介缙云是我国汽车管芯集中生产地，它每年生产汽车管芯几千万只，约占全国汽车管芯产量的三分之二以上。由于它们的结构与生产工艺相近(电极片为铁片、95 铅锡浸焊、台面酸付蚀与硅橡胶保护)，因此大家把这一类管芯称为缙云管芯。由于缙云管芯成本低和使用方便因此深受整流组件生产厂的欢迎，同时亦是整流组件生产厂越来越多的原因之一。应用缙云管芯生产整流组件目前有二大流派。大多数生产厂采用：缙云管芯、引线、管座(或极板)加焊膏后在隧道炉(或烘箱或热板)中焊接成一体，组装成整流组件。在这套工艺方案中由于含锡量很大的焊膏与管芯表面局部的 95 铅锡熔合后熔点下降到 183附近(工艺方案 A)。另外一些生产厂采用：缙云管芯、管座(或极板)加焊膏在隧道炉(或烘箱或热板)中焊成一体，然后用电流焊方法把引线焊在管芯表面。此时引线与管芯间的焊料是单一95 铅锡，它的熔点是 295左右。由于在电流焊焊接引线时焊接温度很难精确控制，往住会温度过高使管芯表面 95 铅锡层全部熔化，破坏了硅橡胶与铅锡间的粘合密封状态，在冷却后铅锡与硅橡胶间产生一间隙，容易产生管芯反向特性不稳定的缺陷。同时由于电流焊的焊接温度高、加温速度快，因此对硅片表面镀镍工艺要求高，容易产生硅片爆裂与脱镍现象( 工艺方案 B)。由于缙云管芯采用的电极板为铁片、管芯的表面浸焊有很厚的 95 铅锡焊料，铁和铅锡焊料的导热系数相对铜、铝来讲要小得多，因此，此类管芯稳态热阻与瞬态热阻都比较大。在 V F 测试中它的数值一般在 80-140mV，而 BOSCH 管子的 V F 值一般为 202mV2、台湾整流粒子整流粒子的结构是两片镀银铜片与两片银铅锡合金片夹一片硅片装在石墨模中，在氢、氮气保护的隧道炉(真空焊接炉)中焊接成一体，然后经过酸付蚀、硅橡胶涂覆等工序形成整流粒子( 管芯) 。由于此类工厂早期均为台湾商人独资或合资厂，因此此类管芯习惯称为台湾整流粒子(或粒子)。此类粒子的焊料是熔点为 295-305的银铅锡合金片。整流组件厂用此粒子、引线、极板(或管座)加上锡锑焊膏(或锡锑合金片)装在焊接模上在隧道炉中焊成一体，组装成整流组件(工艺方案 C)。2此类组件引线与管芯、管芯与管座(或极板)间焊料熔点为 231，V F 数值为20-30mV。美国雷达公司早期产品采用此工艺方案。3、 带引线整流粒子简介此类管芯日本用得比较多，它把引线、两片电极片、硅片与叁片银铅锡焊片在氢、氮气保护的隧道炉或真空焊接炉内焊接成一体，把引线与管芯焊接焊料熔点提高到 295。整流组件厂把带引线整流粒子用熔点为 231锡锑焊膏(或锡锑合金片)焊在管座(或极板) 上，组装成整流组件 (工艺方案 D)。此类整流组件 V F 数值在 20-30mV。以上介绍的工艺都属二次焊接工艺。4、 玻璃钝化芯片及一次焊接工艺此类芯片具有好的高温特性和高的稳定性，但需要有高的工艺水平才能充分发挥芯片的特长。成本高、工艺要求高。整流组件厂把玻璃钝化芯片、引线、管座(或极板)用银铅锡合金片(熔点为 295-305 )在氢、氮气保护的隧道炉(或真空焊接炉)中焊接成一体，组装成整流组件( 工艺方案 E)。此类整流组件 V F 数值在 20-30mV。5、经典一次焊接工艺国内早期单管的工艺方案是经典的一次焊接工艺。把硅片、二片电极片、引线和底座用四片银铅锡合金焊片(熔点为 295-305)装在焊接模内，在氢、氮气保护的隧道炉(或真空焊接炉) 中焊接成一体，经过表面腐蚀、表面保护、加封口盖密封和外接软引线等工序制成单管( 工艺方案 F)。国内早期单管主要存在下列不足：(1).由于采用厚的硅片因此正向峰值压降大;(2).由于表面处理工艺不到位及表面保护材料不佳，反向漏电流偏大、稳定性较差。目前这套工艺方法己经很少有人采用，主要原因是：制造过程中需要用大量的酸碱和去离子水，需要一定的设备投入。目前国内绝大多数整流组件生产厂没有这类设备及管理能力。三、 整流组件在交流发电机内实际工况及失效原因分析用半导体点温计测量极板温度时测量值一般都偏低，最大误差值可达 10 度以上。要测准组件极板温度最佳方法是在整流组件极板上埋设测温热电偶(填充导热硅酯)。(一)28V、45A 交流发电机试验数据及失效原因分析表 1 为 XXXX 柴油机上使用的 28V、45A 交流发电机(老机型)整流组件极板温度的试验室测试数据( 长沙某公司提供)。表 1组件极板温度 Tc 正极板温升(Tc-Ta)Tca转 速(转/分)输出电压VB+输出电流IO正极板 负极板环境温度Ta250027V47A 95 8225 703上表的数据为交流发电机在 2500 转/分、最大输出时一组数据。组件正极板的温升为：Tca = Tc-Ta = 70 那未，我们可以推算出在额定环境温度 Ta = 85下、交流发电机转速为 2500 转/分时整流组件极板温度 Tc = Tca + Ta =85+70=155,可达到 155。对于三相整流组件来说，每个桥臂的导通角为 120 度，其峰值电流约为交流发电机的输出电流 IO，此时通过二极管的电流波形是一个接近矩形波的馒头波形，为了计算方便我们作矩形波处理。那未可以用下式来估算整流组件每个二极管的正向耗散功率为：P 0.33*I 0*VFM其中: P 为整流组件中每个二极管的正向耗散功率IO 为交流发电机(整流组件)的输出电流VFM 为整流组件中二极管的正向峰值压降对于一个 50A 整流组件，单管电流容量一般取 2025A，我们这里取 25A。从JB/T6321-92 标准中查到 ZQ25：管壳温度 TC = -40120 结壳热阻：R JC = 1.7 /W等效结温：T JM = -40175 正向峰值电压：V FM 1.4 V在这里我们取： VFM 1.2 V RJC 1.5 /W IO 47 A则 : P(AV) 0.33*I 0*VFM 0.33*47*1.2 18.6W结壳温升： Tjc P(AV)* RJC 18.6*1.5 27.9 我们可以得到整流组件中二极管的最高结温可达到：Tjm Ta + Tca + Tjc 85 + 70 + 27.9 182.9 引线与管芯焊接处的温度一般比管芯的结温高 10 至 20。我们把以上数据与行业标准有关参数归纳在一起成表 2、表 3：表 2项 目 管壳、极板温度Tc额定 (最高)结温TjmJB/T6321-92(单管) 120 175JB/T6305-92(组件) 140/150 150/175QC/T422-2000(单管) 125 175雪崩管报批稿( 单管) 170 200发电机上测试数据 155 182.94表 3工艺 方案管 芯类 型引线与管芯焊料熔点引线与管芯焊接区可能达到最高温度管芯与管座(极板)间 焊料 熔 点管座(极板 )最高温度A 缙云管芯 183 183B 缙云管芯 295 183C 台湾整流粒子 231 231D 带引线管芯 295 231E 玻璃钝化芯片 295 295F 镀镍硅片 295182.9至200295155从表 2、表 3 我们可以对 XXXX 柴油机用交流发电机(老机型)失效率很高的原因作如下分析：1.JB/T 6321-92 ZQ 系列 5A 至 50A 机动车用整流管机械行业标准、JB/T6305-92 UQ 系列机动车用桥式整流组件机械行业标准 与 QC/T 422-2000机动车用硅整流二极管汽车行业标准所规定的参数如 Tc、T jm 等都不能满足 XXXX 柴油机用交流发电机对整流组件的使用要求。交流发电机厂应对整流组件厂提出高于行业标准的电参数指标。这个问题应该属于交流发电机厂(热)设计问题。也可以讲是行业标准水平太低，对企业生产没有指导作用。2.整流组件厂采用工艺方案 A 是造成缺陷 b：引线与管芯焊接处焊料熔化脱落和缺陷d：管芯与管座( 或极板) 间焊接处焊料熔化造成管芯脱落、环氧开裂上翘的主要原因。3.整流组件厂采用工艺方案 B 是造成缺陷 d：管芯与管座(或极板)间焊接处焊料熔化造成管芯脱落、环氧开裂上翘的主要原因。4.整流组件厂采用铁连接片、低温焊料及不良的焊接工艺是造成缺陷 a：二极管引线与连接片焊接处焊料熔化脱落的主要原因。 5.管芯制造厂采用劣质镀镍硅片和整流组件厂焊接工艺不佳是造成缺陷 c：硅片表面镀镍层不佳产生焊接空洞、假焊或镍层脱落的主要原因。6.对电机结构进行分析，在整流组件边上有两个二极管散热面积太小，其中有一个二极管处在通风的盲区，严重影响了该二极管的工作可靠性。总的来讲，整流组件的可靠性首先决定於发电机厂的热与电的设计，其次是整流组件厂采用的工艺方案、工艺水平和质量管理水平。从表 3 中可以知道：国内整流组件厂采用带引线的管芯工艺方案是目前提高产品质量最有效、最方便、最经济的途径。以上的方析分法同样适用於其他型号交流发电机。(二)、JFZ1813Z 14V、90A 交流发电机试验数据下图是上海某厂试验中心提供的一组试验室测试曲线。5从这一组曲线中我们可以得到以下几点启发：1.整流组件极板温度 Tc(Ta)r/m 曲线是一组有规律的连续曲线。曲线的形 状决定于发电机的设计；2.整流组件极板温度在 2500 转/分附近有最高值，在这一点发电机的输出电流巳经达到额定输出电流的 2/3 左右，但此时冷却风速很低。随着转速升高，发电机的输出电流的增加速率下降，而冷却风速随转速增加而迅速提高，使组件极板温度明显下降。风叶、风道与整流桥的结构设计决定了这一组曲线的形状。3.从曲线上可以查到 JFZ1813 整流桥极板最高温度为 169。如果整流桥(组件)取以下一组数据时整流桥(组件)是可以可靠工作的。整流桥(组件)： Io = 100A 单管：I F(AV)=50ATc = 170 V FM 1.05VTjm= 200 R j-C0.6/W6VRRM=270V这一组数据应该由发电机设计人员给出(或者给出单管的型号与生产厂名)。四、 整流桥的可靠性设计1.可靠性是设计出来的。发电机设计人员应对整流桥(组件)的电热设计负责。对整流桥( 组件) 厂提出一组参数 ,如 Io、Tc 、T jm、I F(AV) 、V FM 、R j-C等参数。2.整流桥(组件) 厂根椐发电机厂要求确定工艺方案和主要另部件和材料的规格