变频空调IPM可靠性研究与应用

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  黎长源,李帅,项永金(格力电器(合肥)有限公司,安徽 合肥 230088)

  摘要:针对空调用IPM模块生产过程及运输周转过程中出现IPM本体开裂问题,本文从IPM失效机理、器件结构工艺设计、器件应用环境设计质量可靠性等方面进行分析。越开越轻松吉利博瑞GE自驾出行好伴侣通过器件失效机理、结构对比、X光、机械应力测试等对IPM器件本体全方位分析论断,分析结果表明:IPM整体结构设计存在质量缺陷,IPM抗机械应力强度水平低,在实际应用环境中以较高的可靠性工作,本次IPM物理机械失效与器件本身设计质量缺陷存在较大关联;从器件本身可靠性设计、本体结构性设计、内部结构布局设计全面整改,从器件本身质量提升着手,进行全面、系统化提升器件质量。

  变频空调是时代发展趋势,空调除了具有基本的制冷、制热功能外,空调节能、环保、舒适性也是新时代发展要求。变频空调核心控制部分控制器是由多电路模块组成,在实现变频技术控制方面IPM起着不可或缺的作用,以实现空调频率可调、可控。IPM将直流电转换为模拟可控交流电控制压缩机以不同的频率进行运转,完成空调快速制冷、制热目标,实现这些要求IPM设计质量和工作可靠性都要高。近年来,家用空调用M厂家

  IPM过程及售后物理机械失效非常突出,为典型的IPM结构设计质量缺陷。为了从根本上分析导致IPM开裂失效原因,本文从IPM失效机理、失效因素、器件应用环境、器件整机工作可靠性等方面进行分析,其整改方案思路可以为其他类IPM物料失效分析整改提供借鉴及参考意义。

  变频空调引入使用M厂家A编码IPM在售后实际工作可靠性表现并不很好,用户开机使用出现压缩机不启动现象,售后使用时间较短均在半个月之内,核实电器盒上A编码模块出现本体从中间断裂现象(如表1 2018年上半年M厂家A编码模块失效总体数据),问题急需进行攻克解决。

  IPM模块开裂失效主要集中在M厂家A编码,且在售后使用时间较短均在半个月之内失效,对电器盒拆解查看,发现IPM本体已经开裂。断裂位置一致(如图1IPM开裂失效外观及X-ray图片),具体是因何种原因失效,是IPM封装材质问题、结构设计质量问题,还是实际应用环境影响导致,针对问题我们展开失效原因相关分析验证工作。

  经过查询M厂家A编码对应控制器有30多款,但与PFC电感搭配使用仅3款(售后出问题的,早前生产未带PFC电感均未发现过),由于PFC电感较重,认为增加后对控制器板的强度有一定的影响(如图2)。

  2.2.2 弯曲强度测试:经对比M厂家A编码和N厂家A编码的纵向断裂强度,M厂家A编码比N厂家A编码的断裂强度小20%左右(如表2)。

  2.2.3 灰分与热重测试对比:M厂家A编码与N厂家A编码的挥发与热重测试(如表3)数据接近。

  2.2.4 材料测试对比:M厂家A编码与N厂家A编码的材料均为环氧树脂,但是N厂家A编码的谱图峰值与M厂家A编码的有一定的差别,核实之前制品表明厂家未更改过材料成分,从2012年7月开始就指定EMC材料,至今没有变更。

  2.3.1 M厂家A编码的模块厚度最薄,比P厂家的本体厚度薄,体积也是最小的(如表4压缩机模块厂家外观尺寸对比表)。

  2.3.2 M厂家A编码打螺钉位置的孔位,固定在散热器上面,强电和弱电不对称,受到机械应力时受力不对称。

  2.3.3 通过取M厂家A编码实物外观查看,在M厂家A编码的散热面,靠弱电断裂侧有3个约1.5mm的深孔;背部有一个凹槽,在螺钉固定位置的中间(如图4M厂家A编码实物)。

  2.4.1.1 电器盒以1.5m高度进行跌落(钣金朝下与朝上跌落),跌落3次,跌落后功率器件存在变形情况,但未发现IPM模块存在开裂情况,且变形受力方向与故障件相反(如图5)。

  2.4.1.2 电器盒以1.5M高度进行跌落(侧面),跌落后功率器件存在变形情况,但未发现IPM模块存在开裂情况,且变形受力方向与故障件较为相似(如图6)。

  2.4.1.3 模块焊接偏高异常:把IPM塞块增加矽胶片进行焊接,将模块高度增加至6.8 mm(标准为:6±0.2)mm,按1.5 m高度进行跌落,跌落后均出现功率器件引脚变形但器件未开裂情况。

  2.4.2.1 整机正向侧向跌落1 m和1.6 m各跌落两次,IPM引脚有轻微变形现象,但未出现售后破裂现象(如图7)。

  2.4.2.2 整机正向跌落3.9 m高度,模拟售后卸货从车上掉落。经模拟从车子顶层将机子跌落,共跌落2次,跌落高度约3.9 m,试验后整机外观明显变形,拆机检查控制器下塌,模块破裂,与售后反馈的图片相似(如图8)。同时,电器盒内部其他部位也出现不同程度的损伤,如扼流圈支架断、功率器件变形、风机电容脚断(售后返回均未发现其他器件破损异常)等问题。

  分析小结:从模拟摔机情况看,整机外观与控制器等整体都出现不同程度变形,与售后回访情况存在差异,但控制器模块破损位置及破损方式与售后反馈的相似,说明售后出现的模块破损与整机从较高处直接跌落有直接关系,同时模块本身承受能力较差。

  3.2 关于加强空调成品装卸、安装过程的管控要求空调从出库到客户的安装流程中,涉及此流程的电商管理部、经营部、成品库、客服中心、各销售公司及安装网点,须加强对员工的培训教育,运输周转及安装过程中严禁出现摔机、高空扔机等现象。

  4.1.1 新制品相对旧制品凹陷处填平,左边旧制品,右边新制品(如图11)。

  4.1.2 同时增加CBD陶瓷覆铜板以提高抗弯曲强度,左边旧制品,右边新制品(如图12)。

  4.2 X-ray核实内部线) 弱电线路部分:新旧制品线) 强电线路部分:新制品线路做更改,对引脚与塑封接触部分改成T字结构,增加接触面积,提升IPM抗机械强度能力(如图13,图14 )。

  测试更改前后各安排2个样品,结果见表5,更改后制品抗弯曲强度明显提高。

  通过产品实际应用过程中的问题反馈信息及器件单体验证分析,本文从IPM失效机理、失效因素、器件应用环境、器件装配可靠性等多方面进行分析,通过对器件单体可靠性,及整机进行验证,IPM耐抗机械强度为700N以上,需要从器件本身进行整改,IPM耐抗机械强度分析因素进行分析探索研究,综合分析评估IPM结构调整可以达到此要求。

  本体调整M厂家A编码模块结构,在原有的标准上表5 新旧制品抗弯曲强度测试对比表序号 样品状态 测试数据(N) 图片样品 1 更改前 709.354样品 2 更改前 701.021样品 3 更改后 2004.871样品 4 更改后 2148.263再次提升IPM抗机械强度应力,从而改善产品质量,更改后制品极限抗弯曲强度由7 0 0 N 提 高 到2000N以上,效果明显。