貼片蜂鳴器功能可靠性研究

1   引言

蜂鳴器是一種一體化構(gòu)造的電子訊響器，能發(fā)出蜜蜂一樣喻叫的聲音，當(dāng)然發(fā)出的聲音比蜜蜂叫聲響得多。采用直流電壓供電，普遍應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、報(bào)警器、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中做發(fā)聲器件。

蜂鳴器分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器，在此我們是圍繞壓電式蜂鳴器展開(kāi)講述的，壓電式蜂鳴器主要組成結(jié)構(gòu)有多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成，當(dāng)接通電源后（1.5-15 V 直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5-2.5 kHz 的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推進(jìn)壓電蜂鳴片進(jìn)行發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成，在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處置后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起?？照{(diào)主板上使用的多為單面結(jié)構(gòu)的發(fā)聲單元。即用一片圓形壓電元件和金屬片等組合而成。把其固定在一個(gè)腔體內(nèi)，就形成壓電陶瓷蜂鳴器。

目前，空調(diào)用蜂鳴器幾乎都采用壓電陶瓷片，其具有壓電效應(yīng)。即壓電陶瓷片在受力作用后，其厚度上發(fā)生機(jī)械變形，導(dǎo)致其表面上出現(xiàn)電荷或在其電極上產(chǎn)生電位差，當(dāng)陶瓷蜂鳴器施加一個(gè)壓電片的極化方向相同的電壓時(shí)，則極化強(qiáng)度增強(qiáng)，陶瓷片就沿徑向伸長(zhǎng)。反之，當(dāng)外加電壓方向與陶瓷片極化方向相反時(shí)，極化強(qiáng)度減弱，陶瓷片就沿徑向收縮。即“電致伸縮”現(xiàn)象。由于粘膠在陶瓷片上的金屬片既不擴(kuò)張也不收縮。當(dāng)陶瓷片產(chǎn)生“電致伸縮”現(xiàn)象時(shí)陶瓷片徑向伸縮變?yōu)閺澢駝?dòng)。當(dāng)陶瓷片產(chǎn)生時(shí)大時(shí)小，時(shí)上時(shí)下的振動(dòng)，前期周?chē)目諝獍l(fā)出相應(yīng)的聲波，當(dāng)聲波與共振腔體產(chǎn)生共振時(shí)，就可以聽(tīng)到比較大的聲音了。

圖1 壓電陶瓷蜂鳴器基本構(gòu)造

2   失靈原因及失效機(jī)理分析

貼片蜂鳴器通過(guò)貼裝焊接組裝后，經(jīng)過(guò)在線電測(cè)出現(xiàn)大量蜂鳴器開(kāi)短路異常，通過(guò)對(duì)異常品的解剖、X 光、模擬實(shí)驗(yàn)等大量異常數(shù)據(jù)樣本的比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)其故障現(xiàn)象存在以下3 個(gè)方面影響。

圖2 異常數(shù)據(jù)樣本的比對(duì)

（1）廠家制作過(guò)程工藝粗糙引起的故障不良，如蜂鳴器焊盤(pán)與壓電片間漏焊接，僅用膠水固定，連接不穩(wěn)定，測(cè)試過(guò)程呈現(xiàn)開(kāi)路現(xiàn)象。廠家焊接出現(xiàn)虛焊冷焊，周轉(zhuǎn)及使用過(guò)程出現(xiàn)脫焊，焊料使用不當(dāng)，膜片異物等制程低級(jí)問(wèn)題如下圖3。

圖3 產(chǎn)品生產(chǎn)制作過(guò)程造成產(chǎn)品缺陷問(wèn)題

供應(yīng)商生產(chǎn)產(chǎn)品本身質(zhì)量可靠性差，同時(shí)相應(yīng)的質(zhì)量監(jiān)控手段缺乏，需完善提高。

（2）器件受熱環(huán)境不同引發(fā)故障率上漲，核查該蜂鳴器共使用在四款線控器上，其中1 款貼裝面在B 面（雙面板的第二次回流焊接面）使用過(guò)程僅承受一遍回流焊溫度影響，其他3 款的貼裝面在A 面，第一次回流焊接便進(jìn)行了貼裝，在使用過(guò)程中需承受兩遍回流焊溫度影響（回流焊峰值溫度達(dá)245±5 ℃，器件通過(guò)波峰焊時(shí)不涉及焊接，所受溫度影響可忽略）。通過(guò)對(duì)此類(lèi)下線樣品的復(fù)核，發(fā)現(xiàn)其失效形式主要為漆包線漆膜脫落，與另一根漆包線或壓電片電極產(chǎn)生短路。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)各款線控器的總制作數(shù)及其因材質(zhì)受熱產(chǎn)生故障的總下線故障率后發(fā)現(xiàn)，承受一遍回流焊溫度影響的蜂鳴器下線率要遠(yuǎn)低于承受兩遍回流焊接溫度影響的的蜂鳴器?？梢?jiàn)通過(guò)回流焊次數(shù)對(duì)蜂鳴器本身材質(zhì)的耐熱性能存在明顯的關(guān)聯(lián)，如圖4。

圖4 回流焊次數(shù)對(duì)蜂鳴器材質(zhì)耐熱性能的影響

圖5 X光透視內(nèi)部開(kāi)裂情況

表1 核查該款蜂鳴器使用對(duì)應(yīng)主板焊接受熱情況及下線數(shù)據(jù)對(duì)比

備注：該處下線數(shù)僅針對(duì)復(fù)核分析故障原因?yàn)槟て_(kāi)裂或漆包線漆膜融化短路故障品

（3）蜂鳴器內(nèi)部壓電片制作過(guò)程中未注重環(huán)境溫濕度管控導(dǎo)致壓合殘留水汽，經(jīng)使用過(guò)程回流焊受高溫膨脹引起陶瓷層產(chǎn)生開(kāi)裂；蜂鳴片生產(chǎn)過(guò)程中，陶瓷層與基片膠合制程作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境濕度過(guò)高，膠水中吸附濕氣，導(dǎo)致膠合后中間粘結(jié)層存在氣泡，在產(chǎn)品經(jīng)過(guò)使用端回流焊高溫時(shí)，陶瓷底部膠水層的氣泡受高溫影響膨脹，將陶瓷層頂開(kāi)裂，最終引起不良發(fā)生；生產(chǎn)使用過(guò)程回流焊接物料受熱溫度急劇上升（240±5 ℃），水汽膨脹造成彈片開(kāi)裂，陶瓷膜片開(kāi)裂形變錯(cuò)位造成上下電極接觸形成短路或不穩(wěn)定短路以及電容值小故障。故障蜂鳴器解剖后陶瓷膜片情況如圖6。

圖6 故障蜂鳴器解剖后陶瓷膜片情況

圖7 通過(guò)X光透視內(nèi)部開(kāi)裂情況

這表明，蜂鳴器的故障受以下三個(gè)因素影響：

供應(yīng)商粗糙的加工工藝和不受控的質(zhì)量保障；

蜂鳴器本身材質(zhì)耐焊接熱水平偏差；

蜂鳴器生產(chǎn)加工時(shí)未注重環(huán)境溫濕度管控。

3   可靠性提升

方案一：生產(chǎn)制造工藝及控制加嚴(yán)

針對(duì)點(diǎn)焊機(jī)漏焊、焊點(diǎn)異常過(guò)程有效控制，制作過(guò)程調(diào)整點(diǎn)焊機(jī)設(shè)置，將點(diǎn)焊機(jī)的計(jì)數(shù)調(diào)整為整條工裝蜂鳴片的數(shù)量20 片，點(diǎn)焊時(shí)設(shè)備在進(jìn)行20 片時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示，防止整條工裝中個(gè)別未點(diǎn)焊。同時(shí)，針對(duì)蜂鳴片點(diǎn)焊質(zhì)量檢查由人工檢查更改為CCD 的放大全檢，通過(guò)放大將點(diǎn)焊不良以及打膠不良進(jìn)行挑出。并將控制要求添加入作業(yè)指導(dǎo)書(shū)知道現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。出貨加嚴(yán)抽檢，批量驗(yàn)證未出現(xiàn)低級(jí)制作問(wèn)題引發(fā)的生產(chǎn)下線。

優(yōu)化手操器回流焊接工藝流程，調(diào)整器件位置，首先從多次焊接受熱方面降低影響，并同時(shí)提升核心材料耐熱性能。

1. 通過(guò)優(yōu)化電路及整體線控器設(shè)計(jì)，將蜂鳴器調(diào)整至B 面焊接，減少焊接受熱次數(shù)。

2. 將內(nèi)部漆包線材質(zhì)更換成耐熱性能更佳的型號(hào)，由P180 改為E180，提升漆包線承受焊接溫度能力。

針對(duì)環(huán)境濕氣引起蜂鳴片過(guò)回流焊升溫膨脹開(kāi)裂，制定以下措施進(jìn)行整改優(yōu)化。

1. 針對(duì)陶瓷片膠合生產(chǎn)車(chē)間增強(qiáng)房間密封性，隔層玻璃由單層更改為雙層，同時(shí)增加除濕機(jī)空調(diào)等設(shè)施。將制作加工環(huán)境溫度恒定在18-28 ℃，40-70% RH 條件下。

2. 物料來(lái)料包裝形式由普通的編帶包裝更改為真空包裝，且內(nèi)置干燥劑和濕度卡，確保物料中途不會(huì)再次受潮。

3. 出貨前100% 電測(cè)，進(jìn)行回流焊測(cè)試，并且在點(diǎn)焊前增加120 ℃高溫烘烤4 小時(shí)，確保最大程度在高溫下將不良催化在內(nèi)部發(fā)生出來(lái)。

表2 工藝流程優(yōu)化前后對(duì)比

4   結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合大量失效品分析，對(duì)我司貼片蜂鳴器失效原因及失效機(jī)理進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明貼片蜂鳴器耐焊接能力差且制程工藝受人為因素影響大，制造工藝問(wèn)題突出。過(guò)程使用焊接熱加工容易引起器件產(chǎn)生失效。經(jīng)過(guò)對(duì)貼片蜂鳴器的失效機(jī)理分析，確定采取優(yōu)化過(guò)程生產(chǎn)工藝和提升貼片蜂鳴器材質(zhì)耐焊接熱能力，經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以大幅度提高貼片蜂鳴器的耐焊接熱性能及可靠性。同時(shí)提升供應(yīng)商制程環(huán)境溫濕度管控水平，避免陶瓷片二次受熱開(kāi)裂。從器件本身和加工使用過(guò)程兩方面入手，該整改思路可靠，相關(guān)整改方案已經(jīng)得到實(shí)際跟蹤驗(yàn)證，貼片蜂鳴器質(zhì)量可靠性得到有效提升，該整改思路及可靠性提升方案行業(yè)均可借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 褚濤.耐高溫PNN-PSN-PMN-PZT壓電陶瓷的制備及器件性能研究[J].材料保護(hù),2016,22(S1):12-14.

[2] 韓雪飛.壓電陶瓷及蜂鳴器的制備與性能[J].機(jī)械工程材料,2017,35(02):54-56.

[3] 陳明軒.蜂鳴器抗耐熱性失效研究與應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界,2019,26(08):41-43.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期）