李帥

摘要：針對高端空調機型使用UVC紫外殺菌燈模塊存在各類生產(chǎn)過程問題，從UVC紫外殺菌燈模塊失效機理、器件結構、電路設計可靠性性能等方面，進行研究對比分析。通過對UVC紫外殺菌燈模塊失效機理分析、器件結構對比、X-RAY、超景深微鏡、QT-2等設備對模塊進行全面分析論斷，結果表明：UVC紫外殺菌燈在環(huán)境應力器件脫焊、密封性密封不良、受力連接線斷、電路設計燈不亮方面存在設計缺陷，導致最終使用失效。本次從UVC紫外殺菌燈模塊本身可靠性設計進行整改優(yōu)化，提升產(chǎn)品質量。

關鍵詞： UVC紫外殺菌燈；脫焊；密封不良；線斷；電路設計

0 引言

健康是人類不懈的追求，人們對健康的認知隨著生活水平和社會的發(fā)展不斷提高，20世紀70年代開始，紫外殺菌技術逐步應用于污水處理、工業(yè)消毒等領域。90年代隨著關鍵技術的突破，紫外殺菌憑借其特有的環(huán)保潔凈特性在歐美國家得到廣泛的應用。

人們對空氣質量的關注促使殺菌空氣調節(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導致二次污染以及殺菌效果可量化等優(yōu)點而被用于空調器中。

空調用紫外殺菌燈：由 UVC-LED 燈珠（UVC-LED芯片、陶瓷支架、藍寶石蓋板）、恒流驅動芯片 IC、石英玻璃等組成的部件。

隨著人們生活水平的不斷提高，對生活質量有更高的要求，空調送風的空氣的質量更加潔凈，實現(xiàn)此功能達到殺菌作用且不會產(chǎn)生副作用的物理殺菌，首推 UVC 紫外殺菌燈。

行業(yè)使用 UVC 紫外殺菌以來，包含基于紫外殺菌燈涉及不同規(guī)格的型號，過程及售后故障率年年呈上升趨勢。高端機型中的使用逐年增加，質量形勢不容樂觀，解決問題也勢在必行。

1 UVC紫外殺菌失效原因及失效機理分析通過總結過程以及售后的失效數(shù)據(jù)，可將故障分為四大類：環(huán)境應力器件脫焊、密封性密封不良、受力連接線斷、電路設計燈不亮。

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。

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。

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、焊接點脫落，故障現(xiàn)象存在不穩(wěn)定。

線徑斷開：連接線容易受力斷開。

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

1.4燈不亮類分析

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

2 UVC紫外殺菌可靠性分析

2.1焊接異常

焊盤尺寸設計：測試 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%；

焊接異常導致虛焊現(xiàn)象，焊盤錫膏覆蓋不均勻。

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

2.2密封不良

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

2.3連接線斷

連接線抗機械應力不足導致拉斷，受力拉斷，測試數(shù)據(jù)不足45 N，在裝配時容易受力斷開。

2.4電路設計方面—UVC-LED 燈珠電路

紫外殺菌燈的 UVC-LED 燈珠其中一個失效后，整體所有燈均存在不良現(xiàn)象，電路中對 UVC-LED 燈珠無防護器件，電路的 UVC-LED 燈珠進行串聯(lián)設計，對電路可靠性評估存在不足。

2.5電路設計方面——過壓保護電路

紫外殺菌燈的 MT782 恒流驅動芯片在 BUCKBOOST 工作模式下當負載（LED）開路或負載（LED性能不良）不良情況下，輸出電壓會高于（40 V×0.75），易造成芯片內 MOS 管擊穿。

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

3 UVC紫外殺菌燈優(yōu)化方案

通過對 UVC 紫外殺菌性能參數(shù)、整配結構及電路設計，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 PCB 板焊盤尺寸、鋼網(wǎng)尺寸調整，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，提高抗機械應力能力；

4）電路設計優(yōu)化，UVC-LED 燈珠線路設計優(yōu)化，并增加過壓保護電路；

3）密封處理，提高抗機械應力能力；

4）電路設計優(yōu)化，UVC-LED 燈珠線路設計優(yōu)化，并增加過壓保護電路；

4整改方案可靠性驗證

UVC 紫外殺菌燈整改后再經(jīng)過可靠性驗證：

4.1焊接優(yōu)化

設計 PCB 焊盤尺寸由0.50 mm ×0.80 mm 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，新錫膏貼片后對燈珠進行推力測試10件，結果均大于2 kgf。

鋼網(wǎng)尺寸： UVC-LED 燈珠測試尺寸為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。

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

燈柱焊接可焊性可靠性實驗：隨機抽取整改前后樣品各5 pcs 測試推力，受推力值提升60%。

4.2密封處理

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

4.3線徑增加

連接線抗機械應力不足導致拉斷，調整增加線束數(shù)量及線束直徑，提高抗拉能力。

機械應力實驗：隨機抽取整改前后樣品各5 pcs 測試拉力，受力拉斷值提升2倍。

4.4電路設計——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。

電路設計—過壓保護電路： MT7282恒流驅動芯片由 BUCK-BOOST 模式更改為BOOST 模式。增加保險絲。焊線圖 LED-電源線焊接到 U1第4 pin 上。

電路設計可靠性驗證：UVC-LED 燈珠和 TVS 二極管并聯(lián)，3 個單元電路串聯(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：

5 UVC紫外殺菌燈失效整改總結及意義

本文結合失效樣品分析，對 UVC 紫外殺菌燈失效原因、失效機理分析及結構可靠性等多方面進行核實，經(jīng)過對 UVC 紫外殺菌燈結構、性能參數(shù)、電路設計可靠性對比論證，發(fā)現(xiàn)需從 UVC 紫外殺菌燈本身進行整改。通過對比分析方法，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。

通過此次整改，對 UVC 紫外殺菌燈可靠性進行詳細有效測試評估，通過對比結構、性能參數(shù)、電路設計分析，提煉結構優(yōu)勢、參數(shù)優(yōu)勢，進行推動優(yōu)化器件整體性能，以提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻：

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