袁红刚　张艳秋　曾　武　尹子源

(中国船舶重工集团公司第七二六研究所　上海　201108)



船用电子设备某电源模块的环境适应性改进设计*

袁红刚张艳秋曾武尹子源

(中国船舶重工集团公司第七二六研究所上海201108)

论文针对船用电子设备某电源模块进行了环境适应性改进设计。评估了该电源模块的可靠性水平，列举了影响该电源模块寿命的可能因素并逐一确认和验证。采取的环境适应性改进设计，经加速试验和后期使用验证其合理有效。

电源模块; 环境适应性; 腐蚀; 可靠性

Class NumberTG174

1　引言

某船用电子设备在使用期间的故障统计如图1所示，其中电源模块故障占53%。可见，提高该电源模块的可靠性水平，成为提升整个设备质量的关键。

图1　各类故障统计图

该设备的电源模块如图2所示。

2　可靠性水平及影响因素分析

2.1可靠性水平统计

每套电子设备中有两个该电源模块，截至2011年09月，交付使用的15套设备(计30个电源模块)中，有9个电源模块不足5年发生故障。即电源模块的失效率为30%，不能满足设备的可靠性要求。

图2　船用电子设备某电源模块

这9块电源模块发生故障的时间从0.5年～4年不等，发生故障的模块平均寿命为2年，具体如图3所示。

该电源模块由某所进行设计制作，芯片采购某国内单位，进行灌封、制版、焊接后形成。对该芯片在相关行业应用的寿命进行调研，发现国内外相关厂家的同类产品的在行业下应用寿命达到5年以上的概率分别为90%、98%，具体如图4所示。

图3　故障的电源模块寿命分布

图4　核心芯片不同应用的寿命可靠性

通过调研发现，该电源模块在该普通环境下的可靠性及寿命水平较高，但应用于该电源模块中，可靠性水平明显降低，需要从后续的设计、加工、制作、环境等分析原因。

2.2影响因素分析

针对电源模块寿命不高现状，从人员、设备、材料、环境等方面进行分析原因，总结出九个可能的因素，归纳于表1，并对可能因素逐个分析、确认。

表1　原因确认结果统计表

设计方面，通过现场检查、专家评审，电路设计合理；工艺方面，经现场检查、专家评审，焊接人员、设备、工艺满足要求；材料方面，元器件合格并通过应力筛选；环境方面，除发现有强腐蚀性物质外，其余环境因素适宜。

对某故障的电源模块进行拆解分析，发现芯片的灌封材料膨大，导致内部焊点脱离。

该电源模块所处铝筒密封圈未发现异常，铝筒内也没有可流动的液态油脂。推测电源模块损坏可能是由于轻萘油以气体分子形式通过橡胶密封圈渗透至铝筒内，电源模块的灌封材料吸收轻萘油后膨胀导致损坏。

3　环境影响因素验证试验

为了验证推论，采用加速试验的方法，将完好的灌封后芯片放置在轻萘油中浸泡，如图5所示。

图5　电源浸泡轻萘油试验

图6中，左图是浸泡前电源模块的灌封材料外观，右图为浸泡48h之后的灌封外观。

图6　浸泡轻萘油48小时后对照图

通过对比，发现灌封材料不耐油腐蚀，灌封材料吸收油分子后膨胀，导致该电源模块故障。

可确认，灌封材料耐油腐蚀能力差是引起该电源模块可靠性不足的主要原因。

此外，如图3所示，发生故障的模块平均寿命为2年，确认试验通过48小时试验即可复现故障，加速倍数约为400倍左右。

4　环境适应性改进设计

4.1设计方案

设计了两种不同的灌封材料，通过性能测试、加速试验对比分析两种新灌封方案的可靠性。

新增的灌封设计方案1、方案2和原方案，如图7所示。

4.2功能测试

针对新的灌封方案1和方案2，分别试制新的电源模块，对其进行性能测试，对方案1、2电源模块的测试结果如图8所示。

图7　灌封材料的对比

图8　方案1、2测试结果

从图8中可以看出，输入电压相同时，电源模块的输出电压分别为11.95V、11.81V，均可以正常工作。这两种灌封材料对电路的性能影响不大，均可以满足设备的工作需求。

将方案1、方案2的电源模块分别进行48h烤机试验，均正常。

4.3耐油腐蚀性加速试验

实际的设备中，该电源模块并非浸泡于油中，而是受蒸发的油分子的腐蚀。浸泡试验则比实际环境恶劣许多，为加速试验。气态油的密度约为油密度的千分之一，加速倍数理论上可达1000倍，在之前的故障确认试验中，加速倍数约为400倍。保守估计，本文取加速因数位400。

对于方案1、方案2，分别采用20个样本，在轻萘油中浸泡12h、24h、72h、120h，发生故障的数目统计如表2所示。

表2　耐油腐蚀性加速试验结果

通过表2的对比分析结果，可以看出方案2的灌封材料耐油腐蚀的能力更强。

4.4试验结果分析

通过加速试验，方案2的20个电源模块样本通过240h的加速试验，故障数为0，加速因数取400，可求出置信度为0.9下的可靠性参数估计。

其平均寿命单侧置信下限为

其5年可靠度的单侧置信下限为

经过预计计算，改进后，方案2设计的电源模块5年可靠度可达0.95。

5　结语

最终采用的设计方案如图9所示。

图9　最终改进设计的电源模块

对之前的15套设备进行更换，新增设备9套，共24套。截至2016年02月，未发生故障。通过环境适应性设计更改，提高了可靠性、减少了维修成本。

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Environmental Adaptability Design of A Power-Module in Ship-Borne Electronic Equipment

YUAN HonggangZHANG YanqiuZENG WuYIN Ziyuan

(No.726 Research Institute of CSIC, Shanghai201108)

In this paper,the environmental adaptability design of a power-module in ship-borne electronic equipment is presented.The module reliability is evaluated, and possible causations which reduce the reliability are evaluated and verified.Through the accelerated test and customer-use，the adaptable design rationality and effectiveness is confirmed.

power-module, environmental adaptability, erosion, reliability

2016年4月9日,

2016年5月23日

袁红刚，男，硕士，高级工程师，研究方向：系统工程。张艳秋，女，硕士，高级工程师，研究方向：综合保障设计。曾武，男，硕士，工程师，研究方向：电子工程。尹子源，男，高级工程师，研究方向：电子工程。

TG174

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.041