基于可靠性技術的UVC紫外殺菌燈質量控制研究

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器的迅速誕生，紫外殺菌系統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，實現此功能達到殺菌作用且不會產生副作用的物理殺菌，首推UVC 紫外殺菌燈。

圖1 UVC紫外殺菌燈實物圖

行業使用UVC 紫外殺菌以來，包含基于紫外殺菌燈涉及不同規格的型號，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。

圖2 UVC紫外殺菌燈結構設計圖

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據，可將故障分為四大類：環境應力器件脫焊、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：表現為UVC-LED 燈珠存在脫焊現象。

2）虛焊不良：表現為UVC-LED 燈珠存在虛焊現象。

圖3 脫焊

圖4 虛焊

3）破損分析：發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。

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、焊接點脫落，故障現象存在不穩定。

線徑斷開：連接線容易受力斷開。

焊接點脫落：線端焊接不良，導致容易出現脫焊、虛焊現象。

圖6 連接線斷開

圖7 焊接點脫落

1.4 燈不亮類分析

發光二極管其中一個失效后，整體所有燈均存在不良現象，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芯片發生輕微移位，形成偏移，發生位移量<焊盤尺寸50%；焊接異常導致虛焊現象，焊盤錫膏覆蓋不均勻。

圖8 虛焊

鋼網尺寸設計：鋼網尺寸設計不規范，從焊盤焊接角度上，錫膏覆蓋焊盤不全，導致存在錫少現象，焊接不充分，存在脫落隱患。

圖9 0.50mm×0.80mm結構

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，測試數據不足45N，在裝配時容易受力斷開。

表1 對比電機及UVC紫外殺菌燈線差異

圖11 未打膠圈

圖12 鋁基板

圖13 測試拉斷

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 燈珠進行串聯設計，對電路可靠性評估存在不足。

圖14 電路設計

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

圖15 PCB板電路結構

3   UVC紫外殺菌燈優化方案

通過對UVC 紫外殺菌性能參數、整配結構及電路設計，發現需要從如下方面提高UVC 紫外殺菌燈的可靠性：

1）焊接優化，對PCB 板焊盤尺寸、鋼網尺寸調整，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）電路設計優化，UVC-LED 燈珠線路設計優化，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過可靠性驗證：

4.1 焊接優化

設計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。

圖16 PCB焊盤

對之前的75%鋼網開口大小調整，調整到焊盤面積的基礎上加大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驗：隨機抽取整改前后樣品各5pcs測試推力，受推力值提升60%。

表2 推力值對比測試

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。

圖18 未打膠固定

圖19 打膠固定

4.3 線徑增加

連接線抗機械應力不足導致拉斷，調整增加線束數量及線束直徑，提高抗拉能力。

圖20 殺菌燈線

圖21 電機線

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。

表3 拉力值對比測試

4.4 電路設計——UVC-LED 燈珠電路

在串聯UVC-LED 燈珠電路中，增加TVS 二極管，在電路中起著穩壓的作用，在外部有大電壓的情況下，穩定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，3 個單元電路串聯。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 燈珠電路優化后

圖23 無過壓保護電路

圖24 有過壓保護電路

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，經過對UVC 紫外殺菌燈結構、性能參數、電路設計可靠性對比論證，發現需從UVC 紫外殺菌燈本身進行整改。通過對比分析方法，優化UVC 紫外殺菌燈可靠性方面數據，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、電路設計分析，提煉結構優勢、參數優勢，進行推動優化器件整體性能，以提高產品的可靠性。

參考文獻：

[1] 吳曉麗.解析IEC 60335-2-40:2018中紫外殺菌功能空調器的安全要求[J].質量與認證,2018(11):73-78.

[2] 丁有生.紫外殺菌燈技術與應用的發展[J].燈與照明,2015(2):19-24.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年1月期）