浅论汽车发电机用DBR技术调节器制造过程失效模式和控制计划

胡云峰

（锦州东佑精工有限公司，辽宁 锦州 121007）

随着社会科技的不断进步和发展，人们的消费水平也在不断提高，特别是大宗商品汽车的消费不断走进千家万户，从而带动中国汽车业的快速发展，中国汽车零部件行业也随之迅猛发展，汽车发电机用调节器和整流桥同比增长也超过10%，但是高端调节器和整流桥的自主设计和开发还是空白。目前，中国中、大型轿车发电机用高端调节器和整流桥主要还是依赖进口，供货期较长，价格偏高，而且发电机研发还往往受制于国外供应商和研发机构，这也严重阻碍了国内高端产品的发展，为了满足消费者对高端产品的不断需求，因此自主研发了汽车发电机用DBR多功能技术调节器替代进口产品。

DBR技术调节器在制造过程中出现失效模式不但影响汽车发电机的整体性能，而且直接影响到终端顾客的使用感受和人身安全。因此，针对汽车发电机用DBR技术调节器过程失效模式进行分析，并执行有效的控制计划，是控制高端汽车电控系统安全输出的重要环节，对实现高端汽车发电机电子产品国产化，促进中国汽车电子产业的技术进步与发展具有重要的意义。

1 汽车发电机用DBR多功能调节器技术说明和创新点

1.1 DBR多功能调节器技术说明

DBR调节器是Die（晶片）Bonding（键合）Regulator（调节器）的首字母缩写，采用铝线键合的方式将晶片各个端子与碳刷架上的预埋片连接起来，实现产品的功能。Die直接粘贴在具有高效散热功能的MCB铝基板上，MCB板是采用热点分离技术高温压制而成的铝铜复合板，然后在铜层上设计电子线路，进而实现信号传导功能。晶片采用裸晶片的方式，集成度更高，电特性稳定可靠。DBR多功能调节器晶片对比普通晶片，增加了软加载功能及高温保护、缺相保护、高压保护、低压保护、指示灯断线诊断，及可连接ECU对整车工作状态进行监控等功能。

1.2 DBR多功能调节器技术创新点

1）DBR技术调节器产品实现了程序烧录功能，一款晶片可实现多种功能参数的设置 （烧录），满足不同客户需求。

2）参数可重复烧录，降低人为因素造成的不良率，节省不良成本。

3）采用串行通信技术，与整车ECU单线连通。

4）调节器的L端子与ECU断开连接时，调节器仍能工作，相当于普通的多功能调节器。

5）ECU可以对机械、电气、温度、通信和超时等各类错误提供明确指令。

6）产品结构简单，降低材料成本。DBR技术调节器产品构成部件共计9种，国内普通调节器产品构成部件11种，部件数量减少约22%，因此DBR技术调节器产品在结构上简化了，降低了材料成本。

7）采用铝线键合技术将Die与刷架及MCB实现了信息通信。

8）首次采用MCB铝铜复合板作为线路板实现产品功能，并提高了散热效果；

9）电压调节性能精度高，成本降低，提高了市场竞争力。

2 汽车发电机用DBR多功能调节器结构和性能指标

2.1 DBR技术调节器结构

DBR技术调节器产品沿袭新技术产品结构，产品构成部件共9种，分别是：碳刷架、散热片、晶片、PCB、碳刷、弹簧、晶片盖、防尘盖、集电环防护罩。具体见图1。

图1 DBR技术调节器结构示意图

2.2 DBR调节器性能指标

2.2.1 电压调节性能

DBR技术调节器电压调节性能与普通调节器性能相比，调节精度对比见表1。

2.2.2 温升性能

DBR技术调节器产品的静态温升性能见表2。

表2 DBR技术调节器产品的静态温升性能

DBR技术调节器的L端子与ECU断开连接时的主要性能（多功能调节器）：①软加载功能；②ECU监控功能；③过热保护功能；④缺相保护功能；⑤高压保护功能；⑥低压保护功能；⑦指示灯断线保护功能等。

3 DBR多功能调节器制造过程失效模式分析和控制计划

一个多功能调节器产品能实现设计好的功能要求，首先在产品设计时要进行例如产品结构、功能、品质等方面的先期策划。进入到制造阶段后，对前期产品研发阶段总结的PFMEA中RPN值和严重度S值超过规定红线的制造过程要有相应控制计划输出。DBR技术调节器的整个制造过程由17个工位组成，具体见图2。

图2 DBR多功能调节器制造流程图

在产品制造阶段对过程失效模式进行分析和针对的控制是至关重要的，是能否实现最终的合格产品满足顾客要求的必要保证。对于DBR多功能调节器制造过程中常见的失效模式和控制方法进行总结如下。

3.1 固晶和银浆硬化强度不够造成晶片温度过高和松动，致使晶片功能失效

晶片对于DBR技术调节器来说是最重要的核心部件，DBR调节器的调节电压功能都是由晶片内部程序来完成。对晶片在MCB基板上进行固定和粘贴银浆的硬化强度是制造过程的重要特性参数。晶片和MCB基板之间是由银浆进行粘贴连接。在MCB基板上进行银浆涂装时，可能产生以下两种失效模式。

1）银浆过厚产生的失效模式为：晶片整体散热不好，长时间内部高温会使晶片内部电子线路和集成器件熔蚀造成短路或断路，DBR调节器典型VSET功能失效现象如图3所示。

2）银浆过少产生的失效模式为：MCB基板和晶片粘贴不牢靠容易出现松动和间隙。如图4a所示晶片底部银浆过少，晶片粘贴强度不够造成脱落，晶片长时间震动后，造成内部构件虚连，整体晶片功能时好时坏，性能出现OK和NG反复，最终成品可靠性失效，具体如图4b所示。

图3 调节器晶片功能失效

图4 银浆过少产生的失效模式

在整车中，一旦由于DBR技术调节器的多功能输出失效，如果车辆是在停止状态时会造成车辆点火功能失效，车辆无法启动。如果车辆是在行驶状态，那么严重的会造成车毁人亡的后果。为了预防上述过程失效模式的产生，在制造过程中制定控制计划：①采用自动固晶机进行操作，银浆用量控制在0.004g，AIR压力控制：氮气气压控制范围500±50kPa，空气气压控制在500±50kPa范围。主气压表控制在0.5±0.1MPa，副气压表控制在0.2±0.02MPa。②银浆硬化温度控制在TEMP1-TEMP2 130±10℃，TEMP3-TEMP12 175±10℃。氮气流量控制在S1：0，W1-W6、N1、D1：2±0.5l／min。③MCB表面温度控制在160～175℃ （最低保持40min）。④晶片粘贴强度控制≥30kgf。⑤白钢槽与矫形工装的校准点相贴合，防止晶片移位。

3.2 在晶片和MCB基板、碳刷架端子键合时，焊接不良造成的断路现象

晶片通过铝线和MCB基板、碳刷架端子进行超声波键合后，才能起到电子线路导通作用。整个DBR多功能调节器才真正有了心脏。而这些端子焊点的品质决定着这个调节器功能输出的品质。造成焊接不良的原因有：①点焊电流过大，造成焊点击穿。②焊接端子镀层厚度不符合标准要求，造成焊接剥离强度不够，如图5所示。③焊接端子表面有异物，造成焊崩现象。如果焊接端子不良会使端子折断、开裂、断裂，直接导致调节器内部电路断路。如图6所示。

图5 焊接端子镀层厚度不符合标准

图6 焊接端子不良

控制计划：①在键合晶片端子时，电流控制在3400A，焊接压力15kgf，键合时间0.25s。②键合机劈刀、引线槽及切线器的安装状态：劈刀的中心线与引线器槽中心线及切线器中心线对正且三者之间不相互干涉。劈刀校准：水平垂直压痕交叠成口字。③8mil键合拉力A、C处 ≥230gf，B处≥200gf；8mil键合推力≥350gf；10mil键合拉力A、C处 ≥300gf，B处 ≥240gf；10mil键合推力≥400gf。

3.3 调节器碳刷架内注入密封胶过少、硬化强度不够导致无法保护晶片

晶片在安装进调节器刷架内部后，为了晶片上元器件不受到外部因素影响而形成线路氧化、部件焊点氧化、各部件之间绝缘，要进行密封胶的注入并进行硬化。如果没有按照控制计划标准要求的硬化温度和时间来进行控制，那么硅胶就不会完全凝固，在调节器生产流动时，硅胶会漏出刷架腔体造成内部硅胶的缺失，晶片上的元器件会得不到硅胶的覆盖。不固化的硅胶也不能起到保护晶片的作用。

在受到外部因素的影响时，晶片会进入灰尘、氧化、水汽等，会产生不可预知的潜在失效模式。由于注胶量过少和硬化强度不够导致的晶片键合端子氧化、功能失效，在整个DBR多功能调节器制造过程中也是比较常见的失效模式，见图7、图8。

图7 晶片键合端子氧化

控制计划：①硬化温度要控制在设定温度：150℃，管理温度：150±10℃。硬化时间要严格按照20min要求执行。②硅胶量控制在1.2±0.1g（以完全覆盖键合线为准参考）。③AIR 压力主气压表：0.5±0.1MPa，副气压表：0.1±0.02MPa。

3.4 碳刷端子点焊和碳刷伸出长度不良导致调节器电性能NG

调节器碳刷是起到和发电机转子连接的作用，这样调节器才能对发电机输出的电压起到调节作用。①点焊机电阻焊时产生大电流容易把焊接端子击穿、断裂，小电流会使焊接强度不够，焊接端子易断路。碳刷引线和碳刷架端子焊接不良直接导致DBR多功能调节器B+到F端断路，在晶片内不能形成电子回路，多功能输出阻断不能给发电机转子绕组提供励磁电流。②调节器本身有两个碳刷伸出端，两个碳刷伸出端要长度一致。这样在与发电机转子进行接触后会产生基本一致的碳刷磨损量，如果碳刷的磨损量不一致，会造成调节器的可靠性降低，产品的寿命将不能达到规定的时间。

图8 功能失效

控制计划：①碳刷端子点焊时对压力、时间、电流进行过程特性控制，控制参数见表3（压力值4.0±0.5kgf／cm2，电流值公差≤5%）。②点焊电极研磨，每点焊800次研磨一次电极；8h更换一次电极或损坏时；电极高度22±0.5mm。③碳刷露出长度控制在11.3±1mm。④点焊后碳刷引线和碳刷架尾部端子的剥离强度≥4kgf。⑤对碳刷架尾部端子的镀层控制在：铁镀铜1～2μm，镀锡层2～3μm，表面不能有杂质。

表3 控制参数

4 结束语

当前，随着科技的发展，汽车发电机用调节器已从原来单一的调节电压作用逐步变成以顾客为导向的多功能定制产品，为了打破发电机用高端调节器主要还依赖进口，且受制于国外供应商和研发机构的壁垒，满足消费者对高端产品的不断需求，打造中国自主品牌，因此自主研发了DBR技术调节器。以上对DBR技术调节器在制造过程中经常出现的过程失效模式和控制计划进行了分析论述，希望对设计、研发、工程管理多功能调节器的专业技术人员，掌握多功能调节器过程失效模式快速分析和控制计划的制定起到一个经验借鉴的作用，更好地为顾客提供优质的产品和便捷的服务。