基于可靠性技術(shù)的UVC紫外殺菌燈質(zhì)量控制研究

0   引言

健康是人類不懈的追求，人們對(duì)健康的認(rèn)知隨著生活水平和社會(huì)的發(fā)展不斷提高，20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始，紫外殺菌技術(shù)逐步應(yīng)用于污水處理、工業(yè)消毒等領(lǐng)域。90 年代隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，紫外殺菌憑借其特有的環(huán)保潔凈特性在歐美國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用。

人們對(duì)空氣質(zhì)量的關(guān)注促使殺菌空氣調(diào)節(jié)器的迅速誕生，紫外殺菌系統(tǒng)作為凈化功能的一種手段，因其屬于物理殺菌不會(huì)導(dǎo)致二次污染以及殺菌效果可量化等優(yōu)點(diǎn)而被用于空調(diào)器中。

空調(diào)用紫外殺菌燈：由UVC-LED 燈珠（UVC-LED芯片、陶瓷支架、藍(lán)寶石蓋板）、恒流驅(qū)動(dòng)芯片IC、石英玻璃等組成的部件。

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)生活質(zhì)量有更高的要求，空調(diào)送風(fēng)的空氣的質(zhì)量更加潔凈，實(shí)現(xiàn)此功能達(dá)到殺菌作用且不會(huì)產(chǎn)生副作用的物理殺菌，首推UVC 紫外殺菌燈。

圖1 UVC紫外殺菌燈實(shí)物圖

行業(yè)使用UVC 紫外殺菌以來(lái)，包含基于紫外殺菌燈涉及不同規(guī)格的型號(hào)，過(guò)程及售后故障率年年呈上升趨勢(shì)。高端機(jī)型中的使用逐年增加，質(zhì)量形勢(shì)不容樂(lè)觀，解決問(wèn)題也勢(shì)在必行。

圖2 UVC紫外殺菌燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1   UVC紫外殺菌失效原因及失效機(jī)理分析

通過(guò)總結(jié)過(guò)程以及售后的失效數(shù)據(jù)，可將故障分為四大類：環(huán)境應(yīng)力器件脫焊、密封性密封不良、受力連接線斷、電路設(shè)計(jì)燈不亮。

1.1 焊接類分析

故障件外在表現(xiàn)為器件破損、脫焊、脫落，功能已失效，在放大鏡下可見(jiàn)焊接異常及明顯的器件脫落。

1）脫焊不良：表現(xiàn)為UVC-LED 燈珠存在脫焊現(xiàn)象。

2）虛焊不良：表現(xiàn)為UVC-LED 燈珠存在虛焊現(xiàn)象。

圖3 脫焊

圖4 虛焊

3）破損分析：發(fā)光二極管邊緣部分存在破損 ，放大鏡下觀察有明顯的受力點(diǎn)。

圖5 破損

1.2 密封不良

UVC-LED燈珠附近有水分。

1.3 線斷類分析

連接線斷開(kāi)、焊接點(diǎn)脫落，故障現(xiàn)象存在不穩(wěn)定。

線徑斷開(kāi)：連接線容易受力斷開(kāi)。

焊接點(diǎn)脫落：線端焊接不良，導(dǎo)致容易出現(xiàn)脫焊、虛焊現(xiàn)象。

圖6 連接線斷開(kāi)

圖7 焊接點(diǎn)脫落

1.4 燈不亮類分析

發(fā)光二極管其中一個(gè)失效后，整體所有燈均存在不良現(xiàn)象，屬于設(shè)計(jì)上的缺陷。

2   UVC紫外殺菌可靠性分析

2.1 焊接異常

焊盤尺寸設(shè)計(jì)：測(cè)試PCB板燈珠焊盤尺寸略偏大（原尺寸0.50 mm×0.80 mm）, 貼片后，回流焊接，部分WICOP芯片發(fā)生輕微移位，形成偏移，發(fā)生位移量<焊盤尺寸50%；焊接異常導(dǎo)致虛焊現(xiàn)象，焊盤錫膏覆蓋不均勻。

圖8 虛焊

鋼網(wǎng)尺寸設(shè)計(jì)：鋼網(wǎng)尺寸設(shè)計(jì)不規(guī)范，從焊盤焊接角度上，錫膏覆蓋焊盤不全，導(dǎo)致存在錫少現(xiàn)象，焊接不充分，存在脫落隱患。

圖9 0.50mm×0.80mm結(jié)構(gòu)

圖10 燈珠脫落

2.2 密封不良

連接線未打膠圈固定位置，潮態(tài)試驗(yàn)后模塊內(nèi)部鋁基板有水份。且存在受力，使其密封不良及線拉斷現(xiàn)象。

2.3 連接線斷

連接線抗機(jī)械應(yīng)力不足導(dǎo)致拉斷，受力拉斷，測(cè)試數(shù)據(jù)不足45N，在裝配時(shí)容易受力斷開(kāi)。

表1 對(duì)比電機(jī)及UVC紫外殺菌燈線差異

圖11 未打膠圈

圖12 鋁基板

圖13 測(cè)試?yán)瓟?/em>

2.4 電路設(shè)計(jì)方面—UVC-LED燈珠電路

紫外殺菌燈的UVC-LED 燈珠其中一個(gè)失效后，整體所有燈均存在不良現(xiàn)象，電路中對(duì)UVC-LED 燈珠無(wú)防護(hù)器件，電路的UVC-LED 燈珠進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計(jì)，對(duì)電路可靠性評(píng)估存在不足。

圖14 電路設(shè)計(jì)

2.5 電路設(shè)計(jì)方面——過(guò)壓保護(hù)電路

紫外殺菌燈的MT782 恒流驅(qū)動(dòng)芯片在BUCKBOOST工作模式下當(dāng)負(fù)載（LED）開(kāi)路或負(fù)載（LED性能不良）不良情況下，輸出電壓會(huì)高于（40 V×0.75），易造成芯片內(nèi)MOS 管擊穿。

在外接12V的環(huán)境下，去掉LED 時(shí)齊納二極管的穩(wěn)壓在12V左右，未去掉LED 的模塊壓降6V左右，根據(jù)電源疊加原理，故而第1 個(gè)LED 的電壓會(huì)出現(xiàn)24~31V，第2 個(gè)LED 電壓會(huì)有18~25 V。模擬電路電壓在會(huì)出現(xiàn)高于（40V×0.75）的現(xiàn)象。

圖15 PCB板電路結(jié)構(gòu)

3   UVC紫外殺菌燈優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)UVC 紫外殺菌性能參數(shù)、整配結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)需要從如下方面提高UVC 紫外殺菌燈的可靠性：

1）焊接優(yōu)化，對(duì)PCB 板焊盤尺寸、鋼網(wǎng)尺寸調(diào)整，提高燈珠及PCB 板焊接的可靠性；

2）線徑增加，提高連接線的抗拉能力；

3）密封處理，提高抗機(jī)械應(yīng)力能力；

4）電路設(shè)計(jì)優(yōu)化，UVC-LED 燈珠線路設(shè)計(jì)優(yōu)化，并增加過(guò)壓保護(hù)電路。

4   整改方案可靠性驗(yàn)證

UVC 紫外殺菌燈整改后再經(jīng)過(guò)可靠性驗(yàn)證：

4.1 焊接優(yōu)化

設(shè)計(jì)PCB 焊盤尺寸由0.50 mm×0.80mm 更改為0.45 mm×0.75 mm，燈珠回流焊接后未再出現(xiàn)明顯偏移，新錫膏貼片后對(duì)燈珠進(jìn)行推力測(cè)試10 件，結(jié)果均大于2 kgf。鋼網(wǎng)尺寸：UVC-LED 燈珠測(cè)試尺寸為0.46 mm×0.70 mm， 在封裝0201（0.30 mm×0.60 mm） 及0402（0.50 mm×1.00 mm）元件之間。

圖16 PCB焊盤

對(duì)之前的75%鋼網(wǎng)開(kāi)口大小調(diào)整，調(diào)整到焊盤面積的基礎(chǔ)上加大10%，間距保持不變，四周倒0.03 mm的圓角。

圖17 UVC-LED 燈珠

燈柱焊接可焊性可靠性實(shí)驗(yàn)：隨機(jī)抽取整改前后樣品各5pcs測(cè)試推力，受推力值提升60%。

表2 推力值對(duì)比測(cè)試

4.2 密封處理

增加連接與塑殼之間進(jìn)行打膠固定，提供連接線抗拉能力，并提高其UVC 模塊密封性。

圖18 未打膠固定

圖19 打膠固定

4.3 線徑增加

連接線抗機(jī)械應(yīng)力不足導(dǎo)致拉斷，調(diào)整增加線束數(shù)量及線束直徑，提高抗拉能力。

圖20 殺菌燈線

圖21 電機(jī)線

機(jī)械應(yīng)力實(shí)驗(yàn)：隨機(jī)抽取整改前后樣品各5 pcs 測(cè)試?yán)Γ芰瓟嘀堤嵘? 倍。

表3 拉力值對(duì)比測(cè)試

4.4 電路設(shè)計(jì)——UVC-LED 燈珠電路

在串聯(lián)UVC-LED 燈珠電路中，增加TVS 二極管，在電路中起著穩(wěn)壓的作用，在外部有大電壓的情況下，穩(wěn)定UVC 模塊的電壓值。

電路設(shè)計(jì)—過(guò)壓保護(hù)電路：MT7282 恒流驅(qū)動(dòng)芯片由BUCK-BOOST 模式更改為BOOST 模式。增加保險(xiǎn)絲。焊線圖LED- 電源線焊接到U1 第4 pin 上。

電路設(shè)計(jì)可靠性驗(yàn)證：UVC-LED 燈珠和TVS 二極管并聯(lián)，3 個(gè)單元電路串聯(lián)。若只去掉燈珠，或者只去掉TVS 二極管，電路能夠正常工作。如圖所示：

圖22 燈珠電路優(yōu)化后

圖23 無(wú)過(guò)壓保護(hù)電路

圖24 有過(guò)壓保護(hù)電路

圖25 去掉燈珠

圖26 去掉TVS二極管

5   UVC紫外殺菌燈失效整改總結(jié)及意義

本文結(jié)合失效樣品分析，對(duì)UVC 紫外殺菌燈失效原因、失效機(jī)理分析及結(jié)構(gòu)可靠性等多方面進(jìn)行核實(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)UVC 紫外殺菌燈結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、電路設(shè)計(jì)可靠性對(duì)比論證，發(fā)現(xiàn)需從UVC 紫外殺菌燈本身進(jìn)行整改。通過(guò)對(duì)比分析方法，優(yōu)化UVC 紫外殺菌燈可靠性方面數(shù)據(jù)，從UVC 紫外殺菌燈本身提高器件的整體可靠性。

通過(guò)此次整改，對(duì)UVC 紫外殺菌燈可靠性進(jìn)行詳細(xì)有效測(cè)試評(píng)估，通過(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、電路設(shè)計(jì)分析，提煉結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)、參數(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行推動(dòng)優(yōu)化器件整體性能，以提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）