变频空调IPM可靠性研究与应用

　　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。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。

　　关键词：变频空调；IPM；开裂；器件结构；机械应力

　　0 引言

　　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。

　　1 事件背景

　　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。

　　2 IPM失效原因及失效机理分析

　　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。

　　2.1 控制器结构差异点

　　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 物料一致性问题

　　2.2.1 内部情况对比：通过X-ray测试内部结构无异常（如图3）。

　　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 与其他厂家模块对比

　　通过对压缩机模块三个厂家外观尺寸的对比，发现以下问题。

　　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 跌落实验验证

　　2.4.1 单体电器盒跌落实验：故障未复现

　　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 整机跌落实验：3.9m高跌落实验复现

　　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 IPM 失效整改措施

　　3.1 器件自身结构改进

　　1） 增加 CBD陶瓷覆铜板（如图9 更改后增加CBD陶瓷覆铜板）。

　　2） 本体的凹槽填平（如图10 更改后凹槽填平）。

　　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 整改效果评估及应用效果验证

　　4.1 新旧制品外观上区别

　　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核实内部线路状态

　　1) 弱电线路部分：新旧制品线路一致。

　　2) 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 ）。

　　4.3 M厂家A编码模块抗强度测试验证

　　测试条件：测试摆放如下，测试位移1mm/min（如图15）。

　　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。

　　4.3.1 M厂家A编码模块新旧制品在管脚性能参数，极限参数一致。对装配整机性能测试及跌落试验验证无异常。

　　5 IPM失效整改总结及意义

　　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。

　　通 过 此 次 整改，器件引入开发时需对器件单体及应用电路、工作环境等进行详 细 有 效 测 试评估，要与实际使用环境及使用位置进行综合评估，将IPM抗强度测试评估要求纳入入厂检标准，可提前测试把关提高产品质量，提高IPM应用的可靠性，降低过程及应用中后失效率。

　　参考文献

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　　作者简介：

　　黎长源(1984.1),男，高级工程师，主要研究方向：空调制冷技术、变频空调IPM可靠性技术。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第7期第60页，欢迎您写论文时引用，并注明出处