生产工艺降低电源模块故障率探讨范文

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摘要:在电源模块批量化生产初期,由于生产工艺不成熟导致了较高的故障率。针对“无电压输出冶和“带载启动异常冶两类故障现象,查找出问题根源,通过设计应用电调工装,完善电调、焊接工艺要求,更换灌封材料并在灌封前采取电路防护措施,使电源模块故障率得到大幅度降低,提高了电子产品的可靠性。

关键词:电源模块;生产工艺;质量改进;产品可靠性

电源模块具有体积小、功率密度大、防潮、抗振动、一致性好、应用简单、可靠性高等优点,作为专用集成电路、数字信号处理器、微处理器、存储器、现场可编程门阵列,以及其他数字或模拟负载提供电源的供应器,目前已得到广泛应用。电源模块是各类矿用电源、分站、传感器等电子产品的动力源,其可靠性是监控系统等可靠运行的前提,也是保障煤矿安全生产的基础。与集成式的解决方案相比,采用电源模块可以按照标准性能的规定进行单独设计和测试,节省开发时间、降低故障风险,当出现故障时只需将问题模块予以更换即可,易于维修。在电源模块批量应用初期,由于生产工艺不成熟,出现了较高的故障率,客户满意度不高。依照QC小组活动程序,按PDCA循环的模式,对电源模块质量现状进行了深入调查,设立攻关目标,应用调查表、排列图、关联图、对策表等系列质量管理技术和方法,全面系统地分析了故障原因并确定主要原因。在此基础上,制订了改进对策表。实施改进后,电源模块生产过程月故障率由最高时的5.3%降到0.54%,开箱不良率由最高的7.3%降为0,提高了电子产品的可靠性。

1现状调查与原因分析

1.1现状调查

分别对2015年1—4月生产过程中,以及同期发往煤矿现场的5V电源模块故障情况进行了调查统计。绘制出故障率柱状图,统计发现,5V电源模块的生产过程故障率为3.6%~5.3%,平均为4.5%,未达到生产过程故障率不大于2.0%的质量目标要求;用户现场开箱不良率最高时达到7.3%,平均达5郾1%,开箱不良率未达到不超过1.0%的质量目标要求。

1.2故障分类

为有效降低故障率,对统计期间发现的117只故障电源模块进行了故障定位分析和分类统计。制作故障类型排列图。“无电压输出冶与“带载启动异常冶占总故障数的94.0%,是电源模块故障的主要原因,解决好这两项故障,理论上可将电源模块故障率降到0.58%。如果措施得当,那么将电源模块生产过程故障率及顾客现场开箱不良率均降低到1.0%以下完全可以实现。

2原因分析与确认

2.1原因分析

通过对采购、生产、检验等过程进行了解、分析,对造成无电压输出及带载启动异常的因素进行讨论,利用头脑风暴法整理得到两类故障的原因关联图。

2.2主要原因确认

采用现场调查、验证和试验对比等方法,对引起5V电源模块无电压输出及带载启动异常的10个末端因素制订主要原因(要因)确认方法和确认标准,形成要因确认表。对10个末端因素逐一进行确认,发现“测试设备误差大冶等6项因素为非要因(确认情况略),而“焊接工艺不完善冶“电调工艺不完善冶和“灌封胶固化影响冶等3项因素属于要因,确认情况如下:

1)焊接工艺不完善。通过对当月生产的268只尚未进行树脂灌封的电源模块进行焊接工艺质量检查发现:主芯片U1背部插接处全部未点焊,一旦受力则极易脱落;由于波峰焊缺陷,有107只电源模块的电容C2/C3的4只管脚焊点存在凹陷、不牢固现象,有潜在接触不良的可能性。导致这两类现象大面积出现的主要原因是焊接工艺文件对主芯片U1背部插接处点焊和电容C2/C3管脚焊点的饱满度未提出明确要求。

2)电调工艺不完善。对电源模块在灌封前是否需要带载老化进行测试验证,选取100只通过了带载老化测试的电源模块,然后灌封树脂,发现经过带载老化的电源模块,无一例出现输出电压测试异常或纹波测试异常现象。而对比测试的另一组100只未经带载老化的电源模块,有4只输出电压测试出现启动异常,1只纹波测试异常。因此,需要对电调工艺进行调整,在灌封树脂前增加带载老化测试工序,减少电源模块灌封后启动异常和纹波异常故障。

3)灌封胶固化影响。由电源模块提供动力源的各类电子产品主要用于煤矿含有爆炸性气体的环境,为了保证电源模块发生故障时不会引爆爆炸性气体,必须用灌封胶对电源模块逐一进行灌封。对无电压输出的80只电源模块进行了拆解分析,其中主芯片接触不良64只、电容管脚脱落11只、二极管接触不良5只。经查阅相关文献得知,用于灌封的酚醛树脂胶的固化收缩率高达8%~10%,树脂内部如果存在空气、水气,则树脂干燥后会形成空隙,再加上溶剂的挥发作用都会产生较大内应力,一旦电子元器件焊接不牢,灌封胶固化收缩极易将器件管脚从电路板剥离,从而导致电源模块无电压输出。

3改进措施及效果

3.1改进措施

针对前述3项要因,按照5H1W的思路制订了改进措施,形成对策表,并逐一实施

1)明确焊接要求。针对脱焊、虚焊、焊接不牢等现象,通过修改焊接工艺文件,增加电容及主芯片焊接要求:对C2/C3电容的4只管脚用手工补焊替代波峰焊;对主芯片U1在其背部插接处进行对应手工点焊;每一焊点应饱满无凹陷、无虚焊。

2)增加电调内容。为解决电源模块带载启动异常问题,增加带载老化工序。为提高老化效率,专门设计了电源板带载老化及测试工装。在电源模块灌封前增加带载(0.72A)老化8h的工艺要求,通过老化测试工序剔除启动异常者,避免带载启动异常的电源模块进入灌封工序。

3)优化灌封工艺。为解决酚醛树脂胶灌封后因树脂固化收缩造成电源模块器件管脚脱落或接触不良故障,采取了如下措施:用固化收缩率较低的环氧树脂代替酚醛树脂;将PCB设计更改为单面布器件和单板沉底机构,保证PCB在灌胶过程中的平衡;灌封前对电路板加刷三防漆3遍,使器件与灌封胶之间形成一层隔离膜,降低因灌封胶固化收缩引起器件管脚脱落或接触不良的概率;灌封时对灌封胶进行充分搅拌以减少气泡影响;灌封后增加烘干工序,减少灌封胶内所含的空气、水气产生空洞的影响,同时提高工序效率。

3.2效果检查及巩固

在明确焊接要求、增加电调内容、优化灌封工艺后,对按照新工艺生产出的首批376只电源模块进行了可靠性试验。按照GB/T2423.10—2008、GB/T4798.2—2008、GB/T2423.22—2012、GJB1032—90分别进行振动试验、运输试验、温度变化试验和温度循环试验,按照GB/T17626—2006要求进行静电放电抗扰度试验和电快速瞬变脉冲群抗扰度试验。试验结果显示:该批产品未出现带载启动异常和无电压输出故障。对2015年8至11月间生产并发往现场的电源模块进行持续跟踪统计,电源模块生产现场平均故障率为0.62%,用户开箱不良率为0,均优于预定目标值1.0%。对4个月内生产过程中出现的9只故障电源模块进行分类,其中输出电压值超限4只,输出纹波超限3只,管脚断裂2只,未出现无电压输出和带载启动异常现象。

可靠性试验结果及批产品质量状况证明,所采取的改进措施能够有效解决无电压输出、带载启动异常的问题。为确保改进效果稳定,针对上述工艺改进措施完善了标准化手续。一是设计了电调工装,修订了《5V电源模块调试作业指导书》;二是对焊接工序增加了焊接要求,编制了《5V电源板装配图》;三是优化了灌封工艺,更改了灌封用胶、增加了刷漆及烘干工艺,下发了《电路板刷漆工艺过程卡》。同时对科研、中试及生产人员就上述3个文件进行了宣贯,并制订了培训计划,规定对新上岗、转岗及6个月未进行该岗位操作的人员上岗前均需通过上述文件的学习培训,年末对操作人员执行巩固措施情况进行考核,确保改进措施持续有效。

4结语

对2015年11月之后生产的920只电源模块持续跟踪发现,按照改进后的工艺生产的电源模块质量持续改善并趋于稳定,生产过程平均故障率为0.54%,用户开箱故障率为0。从售后及安装部门的跟踪及反馈情况看,改进后的电源模块现场使用3个月内未出现一例故障。提高了产品的客户满意度与认同感。改进后电子产品的内外部故障成本大幅降低,扣除改进增加的生产成本,按年产4000只计算,每年降本增效达61000元。

参考文献:

[1]中国质量协会.QC小组基础教材(二次修订版)[M].北京:中国社会出版社,2008.

[2]郎志正.质量管理及其技术和方法[M].北京:中国标准出版社,2003.

[3]周伊芯.模块电源结构工艺实现方式探索[J].电子工艺技术,2011(1):28-30.

[4]尚彦波.可靠性强化试验技术在平板电视电源模块研发中的应用[J].环境技术,2015(4):36-40.

作者：朱正宪 单位：中煤科工集团重庆研究院有限公司