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雙層結構的2類固體繼電器結構的設計

添加時間:2020/07/23 來源:西安電子科技大學 作者:郭 竟
 本文根據2類固體繼電器的技術指標要求與體積限制要求,確定了主體電路框架,由門限電路、抗干擾延時電路、振蕩電路、隔離電路、整流濾波電路、釋放電路和輸出電路組成。
以下為本篇論文正文:

摘要

  固體繼電器是由電子元器件、集成電路、混合集成電路組成的無觸點繼電器,是一種功率電子開關電路,被廣泛應用于航空航天、兵器船舶、計算機控制、電機控制等自動化控制領域。2類固體繼電器是由分立元器件、膜固定電阻和裸芯片,并采用混合工藝組裝的結構。固體繼電器的接通一般在30μs左右,若輸入有干擾脈沖,很容易導致誤動作,應增加抗干擾功能。國內2類固體繼電器一般采用雙層結構,但此結構會增加固體繼電器高度,急需對內部結構進行優化設計。

  本文根據2類固體繼電器的技術指標要求與體積限制要求,確定了主體電路框架,由門限電路、抗干擾延時電路、振蕩電路、隔離電路、整流濾波電路、釋放電路和輸出電路組成。其中抗干擾延時電路是防止輸入有微秒或毫秒級的脈沖干擾?垢蓴_延時電路采用RC電路結構,可以對輸入5ms以內的瞬態干擾信號進行濾波,實現固體繼電器的可靠動作。

  為實現2類固體繼電器的小型化,對雙層結構進行優化,上層為驅動電路,下層為輸出電路。將大功率芯片靠底座組的底板進行安裝,增強散熱性能。輸入驅動部分采用雙面通孔金屬化厚膜電路板結構與印制板進行回流焊,增加固定強度,減少連接引線。磁隔離器安裝在印制板背面,并采用沉孔下沉安裝,與下層結構進行錯層設計,充分利用了結構空間,實現了固體繼電器小型化。

  對雙層結構的2類固體繼電器結構進行分析,結合裸芯片的特點進行保護,對工藝流程進行優化設計。對下層結構一體共晶成型的要求,設計專用專屬工裝耐高溫夾具,實現一次性共晶焊固定成型。上層結構和下層結構焊接時,對裸芯片進行整體保護,設計焊接、清洗保護夾具,只露出需要焊接的部位,其余全部采用夾具進行保護包裹,實現了對裸芯片的保護。還對2類固體繼電器的烘烤進行了設置,采用兩個步驟:整件120℃,24小時的真空烘烤和封殼前120℃,48小時的真空烘烤,實現了水汽含量≤3000ppm,氧氣含量≤2000ppm,氫氣含量≤4000ppm和二氧化碳含量≤5000ppm的內部氣氛控制要求。

  對2類固體繼電器進行了充分的六性分析。最后對應技術指標要求設置了試驗方案,進行了全套的鑒定試驗,試驗結果全面滿足技術指標的要求。

  關鍵詞:2類固體繼電器,抗干擾延時,錯層結構,焊接清洗保護

2類固體繼電器
 

ABSTRACT

  Solid relay is a contactless relay which composed of electronic components, integrated circuits and hybrid integrated circuits. It is a kind of power electronic switching circuit which applicated in the fields of automation control widely, such as aerospace, weapons and ships, computer control and motor control, etc. Class-2 solid relays are assembled with discrete components, film fixed resistors and chips via hybrid processes, and the chips and leads are bonded. Generally, solid relay is switched on at about 30μs. If pulse with interference is input, error operation is easier for liable to be activated. Therefore, anti-interference function should be added. Two-layer structure is commonly used in domestic Class-2 solid relays, but this structure will increase height of solid relays, so it is urgent to optimize internal structure of solid relays.

  According to requirements to technical index and volume restrictions of Class-2 solid relays, this thesis determines framework of main circuit, which is consisted of threshold circuit, anti-interference delay circuit, oscillation circuit, isolation circuit, rectification filter circuit, release circuit and output circuit. Anti-interference delay circuit is designed to prevent the input of pulses with interference of microsecond or millisecond level. Anti-interference delay circuit adopts structure of RC circuit, which can filter the transient interference signal within 5ms to ensure reliable operation of solid relay, and the anti-interference filtering time can be adjusted according to the requirements of users.

  In order to miniaturize Class-2 Solid relays, optimizing the double-layer structure, that the upper layer is a drive circuit and the lower layer is an output circuit. The high-power chip is mounted on the bottom plate of the base group for enhance thermal dissipation performance. The input drive using circuit board structure with a double-sided holes and metallized thick film, and reflow soldering with the printed board, in order to increase the fixing strength and reduce connection leads. The magnetic isolator is installed on the back of the printed board, installed via blind hole (sinking style) and designed staggered layer with the lower structure, which makes full use of the structure space and realizes miniaturization of product.

  Analyzing of the structure of Class-2 solid relays with double-layer structure, protected in association with characteristics of bare chips, and the process flow is optimized. According  to the requirement to integral eutectic forming of the lower structure, a special high-temperature resistant fixture is designed to realize one-time eutectic welding and fixed forming. When welding the upper and lower structure together, the bare chip is protected integrally, clamps for welding and cleaning protection are designed to expose only the area to be welded, and the rest are protected and wrapped by clamps, so as to protect the bare chip. The baking of Class-2 solid relays is also deliberated. Two steps are adopted: 24h vacuum bake out of the whole piece at 120℃, 48h vacuum bake out at 120℃before the enclosure are executed to meet the internal atmosphere control requirements, water vapor content is not more than 3000ppm, oxygen content is not more than 2000ppm, hydrogen content is not more than 4000ppm and carbon dioxide content is not more than 5000ppm.

  maintainability, safety, testability, supportability and environmental adaptability. Finally, a test plan is made according to technical indexes, and a full set of identification tests are done. And the test results comply with the requirements of technical indexes comprehensively.

  Keywords:Class-2 Solid Relay, Anti-interference Delay, Staggered Layer Structure, Welding Cleaning Protection

目錄

  第一章 緒論

  1.1 課題的來源及研究目的和意義

  固體繼電器根據其開關輸出電壓性質分直流固體、交流固體繼電器和交、直流通用固體繼電器三大類型。根據隔離電路不同又可分為磁隔離、光耦合器隔離、光伏(電池)隔離等類型。按照總體性能又分為智能/總線(SSPC)、通用固體繼電器以及特種固體繼電器等[1],如圖 1.1 所示。

  工廠是國內最早研制開發軍用固體繼電器的企業之一。工廠固體繼電器發展分為六個發展階段:

  第一階段--上世紀 60 年代提出晶體管、可控硅輸出型固體繼電器研發,并實現了樣機考核,由于輸出漏電流及功耗較大原因,未推廣應用;第二階段--上世紀 80 年代率先采用 MOSFET 作為固體繼電器功率輸出,由于當時尚無相關國家軍用標準及"七專"技術條件,調研、跟蹤國外相關軍用固體繼電器發展的技術水平,產品技術指標參照 MIL-PFR-28750 要求,并結合武器型號要求及國內條件制訂,受當時半導體器件水平的限制,技術指標及可靠性相對較低,產品未能在武器系統中廣泛推廣,僅用于部分地面武器系統;第三階段--上世紀 90 年代隨著半導體技術的飛速發展,工廠固體繼電器研發結合工廠的實際情況,以新頒布實施的 GJB1515-1992《固體繼電器總規范》的 1 類結構(分立器件)為基本平臺進行產品設計及質量控制,產品技術性能、可靠性、質量情況及工藝水平得到大幅提升,能夠滿足武器型號的應用要求,產品重點推廣于兵器及航天系統部分領域[2];第四階段--本世紀初,隨著新標準 GJB1515A-2001《固體繼電器總規范》頒布和實施,工廠以該標準為基本平臺,所有新研產品的主要技術指標均全面滿足國軍標的要求,產品以 1 類結構為主,產品廣泛應用于航空、航天、兵器及中電領域[3];第五階段--隨著武器系統可靠性要求的提高,2007 年工廠引進混合組裝工藝技術,并率先提出產品開發以國軍標為基礎,綜合考慮工程應用可靠性的思路,將產品研發考核由試驗室模式向工程化應用考核的轉變,設計上處于國內領先水平,固體繼電器、固體控制模塊及智能固體繼電器性能指標優于國內同類產品[4],2 類軍用固體繼電器開始進行研制發展;第六階段--也就是現階段。目前,隨著可靠性的要求越來越高,軍用 2 類固體繼電器的需求不斷增大,正逐漸取代 1 類分立結構的固體繼電器;對 2 類固體繼電器的內部結構進行優化設計,實現產品的小型化;2 類固體繼電器在實現時有很多結構與工藝的實現難點,特別是雙層結構的 2 類固體繼電器,實現工藝有很大難度,是 2類固體繼電器工程化的主要技術壁壘之一;因此,對雙層結構 2 類固體繼電器進行設計探索與優化研究,有非常大的實用和推廣價值。當 2 類固體繼電器的清洗和手工焊接涉及到裸芯片時,需要進行特殊保護,因為裸芯片表面極易被劃傷和氧化染污,故設置合理的工藝步驟和工裝夾具對裸芯片進行保護意義重大。固體繼電器的接通速度一般為微秒級,如果輸入前端有微秒或毫秒級的干擾脈沖,會導致固體繼電器出現瞬通的現象。如果在點火應用中,出現誤點火的現象,會給整機電路造成影響。本文對輸入抗脈沖干擾進行電路研究,盡可能用最少的元器件實現抗干擾電路,實現 2 類固體繼電器的小型化。

  1.2 國內外現狀

  固體繼電器中主要含有的都是固體電子元件,通過其中各個電子元器件的電、光特性等來分離輸入與輸出,由此實現對電路的有效控制。固體繼電器的應用具有較大的優勢,特別是體現在高可靠性、低功耗、使用年限久、高靈敏度等方面,具有較強的耐用性,正是由于這些優勢,已經廣泛應用到了工業生產和軍事領域中。在軍事領域中使用較多的是在 20 世紀 60 年代出現的軍用固體繼電器,其能夠有效地完成電路的電切換功能,但是早期的固體繼電器的開關管只有三極管、可控硅器件可用,產品的功能、性能受限,專業技術發展不快。后來到了 80 年代,出現了更先進的 MOSFET、IGBT 器件等,使得固體繼電器的性能得到了改善,并且解決了過去雙極型器件的二次擊穿失效模式問題。MOSFET 器件的應用將開關漏電流從原先的 mA 級減小到 μA級,提高了開關的速度,這都使得軍用固體繼電器得到了更多的應用[5].

  美國在固體繼電器研發領域投入了較大的精力,很多公司都推出了較為領先的產品,其中 TELEDYNE 公司在固體繼電器研究方面取得了豐碩的成果,并逐步發展成為世界著名的繼電器研發企業。在近些年更是推出了不同類型的軍用固體繼電器,很多都具有抗輻射功能,拓展了其在軍事領域的應用,該公司固體繼電器內部結構示意圖如圖 1.2 所示。隨著固體繼電器技術的持續發展,逐步出現了更先進的智能化固體繼電器,其功能具有明顯的智能化和自動化特征,例如能夠自動對線路進行監測,并及時發現其中的故障問題,通過這種方式為用戶提供更高質量的服務。與此同時,抗輻射加固固體繼電器也開始應用到了衛星等領域中[6].

  固體繼電器目前已經廣泛應用到了各種類型的家電中,特別是各種類型的小電流交流固體繼電器,在各種家電設備中已經發揮了重要的作用。其中夏普公司推出的PR23MF11NSZ 型固體繼電器在應用中具有明顯的優勢,其使用的成本較低,體積較小,相對于傳統的電磁繼電器,體積降低了一半,體積功耗比降低了四分之三。另外還有日本推出的 SN 超薄型固體繼電器也得到了較多的應用。國外在設計固體繼電器方面廣泛使用了 VDMOS 器件與 IGBT 器件,二者將固體繼電器的輸出能力分別提升到 100V/30A、1700V/800A,工作頻率則分別能夠達到 100kHz、150kHz[7].

  我國軍用固體繼電器總規范的編制基本等效美軍標 M28750,1992 年出版,2001年出版了修訂稿,也基本為翻譯稿,盡管相應的基礎標準都是翻譯稿,受基礎工業的限制,可操作性較差,但作為他山之石,一面鏡子,一個技術平臺,可以借鑒并推動我國軍用固體繼電器專業的發展。如今,我國軍用固體繼電器適用的規范主要為GJB1515A-2001《固體繼電器總規范》,和具體產品參照總規范制定的詳細規范,或參照總規范及用戶任務書指標要求制定的企業軍用標準、技術條件。部分產品還符合用戶與總裝備部聯合管理的可靠性增長科研項目考核要求。

  在"十二五"期間,我國軍用固體繼電器多個生產廠家進行了較大規模的投資,金額在二億元左右,出色完成了國家的戰略計劃任務,完成了重大的工程項目配套任務,包括"神舟九號"、"神舟一號"、"北斗導航"、"大型運輸機"、"航母工程"、"高鐵工程"等等[8].陜西群力電工有限公司推出了輸出單向防反導通的固體繼電器[9],并通過了固體繼電器貫徹國軍標生產線的驗收;貴州航天電器股份有限公司完善了固體繼電器50 多個品種,實現用戶的不同配套要求;北京市科通電子繼電器總廠有限公司根據用戶的要求推出了全 2 類混合結構的 SSPC 固體功率控制器,能夠實現輸入多種控制,對輸出進行過流和過壓保護。在"十三五"期間,我國固體繼電器的占有率將進一步提升,固體繼電器將廣泛應用于民用、商用、軍用等領域,而我國軍用固體繼電器的核心器件芯片多依賴進口,隨著國際貿易戰的影響,很多國外的芯片將越來越難以購買,這就急需我國進行自主芯片的研制。在"十三五"期間還提出,固體繼電器需進一步提升質量等級和可靠性等級,向著宇航級邁步[10]. 現在國外軍用固體繼電器已廣泛采用 2 類混合結構,而我國軍用固體繼電器采用2 類混合結構尚屬剛起步行走階段。固體繼電器隨著 2 類混合結構的應用,集成化、小型化的結構設計凸顯得尤為重要。國內軍用 2 類固體繼電器的內部結構存在很多可以優化的地方,如功率輸出芯片固定在陶瓷基板上后,陶瓷基板采用粘接的方式進行固定,存在力學環境性能不高、導熱性能較差的問題;厚膜電路板為單面設計,也是采用粘接的形式固定,國內 2 類固體繼電器的內部結構優化還有很大的提升空間,需進一步進行完善。固體繼電器由 1 類分立結構到 2 類混合結構的轉變,不僅在結構上有許多難點需要一一攻克,在裝配工藝控制上也存在可以優化的地方。國外工藝技術雖然先進,但由于國內制造設備限制,同時也很難獲得國外先進工藝的細節,特別是雙層結構的實現,無法采用 1 類的工藝直接代替,需要進行攻關。國外尚無輸入抗干擾的固體繼電器,國內也是首次提出此概念,特別是在有限的空間里進行電路設計,無法使用過多的元器件或單片機進行,既要考慮電路功能的實現也要考慮空間結構的限制。

  1.3 課題主要研究內容

  本文的主要研究內容如下:

  1、固體繼電器電路設計:固體繼電器擁有開通速度快,反應靈敏的特點,但若在使用的整機電路中存在浪涌電壓或殘余電壓,會導致產品誤動作,論文擬研究抗干擾延時電路,減少誤動作的發生。以提高繼電器可靠性。

  2、固體繼電器結構設計:由于 1 類分立器件體積的限制,故同等參數條件下的產品體積較大,當采取 2 類結構時,在產品功能不變的情況下,可以很大程度上的縮小體積,實現產品小型化。針對 2 類固體繼電器裸芯片的特點,擬采用雙層結構實現,對內部結構進行仿真并優化。

  3、固體繼電器工藝流程設計:由于裸芯片的特殊性,焊接需要助焊劑來保證焊接的質量,焊接時會有錫珠飛濺,而清洗不到位會導致裸芯片的粘污,降低產品可靠性與壽命。論文擬針對雙層結構的 2 類固體繼電器,實現在存在裸芯片情況下的焊接工藝,保障雙層結構固體繼電器的可靠加工。

  4、固體繼電器六性分析:對產品的設計根據 Q/RY.J0448-2014《產品可靠性、維修性、安全性、測試性、保障性、環境適應性"六性"設計與分析指南》進行六性的分析。

  5、固體繼電器加工與試驗驗證:對設計的固體繼電器進行加工與裝配,根據技術指標要求對固體繼電器進行相關的試驗,統計鑒定試驗的內容,確保固體繼電器滿足技術指標要求。

  1.4 主要技術指標

  固體繼電器根據以往平臺控制要求,并根據用戶提出的相關要求制定技術指標。

  國內有相似的固體繼電器,但輸入無抗干擾延時功能,且體積比本次擬設計的固體繼電器較大,國外無類似的產品可進行對比,具體如表 1.1 所示,固體繼電器的外形尺寸和底視電路圖如圖 1.3 所示:








  第二章 固體繼電器電路設計
  2.1 總體電路的設計
  2.2 門限電路設計
  2.3 抗干擾延時電路設計

  2.4 振蕩電路、隔離電路、整流濾波電路和穩壓電路設計
  2.4.1 振蕩電路設計
  2.4.2 隔離電路設計
  2.4.3 整流濾波電路和穩壓電路設計
  2.5 快速釋放電路設計
  2.6 輸出電路設計
  2.7 本章小結

  第三章 固體繼電器結構設計
  3.1 內部結構設計
  3.1.2 下層結構設計
  3.1.3 上層結構設計
  3.2 熱性能計算
  3.2.1 熱阻計算
  3.2.2 溫升計算

  3.3 結構設計仿真
  3.3.1 熱仿真
  3.3.2 力學仿真
  3.4 本章小結

  第四章 固體繼電器工藝流程設計
  4.1 總體工藝流程設計
  4.2 底座功率組共晶夾具設計
  4.3 整件焊接、清洗夾具設計
  4.4 工藝風險分析
  4.5 內部氣氛控制
  4.6 本章小結

  第五章 固體繼電器六性分析
  5.1 可靠性分析
  5.1.1 可靠性預計
  5.1.2 故障模式影響與危害性分析
  5.1.3 降額計算
  5.2 維修性

  5.3 安全性
  5.3.1 電氣安全設計
  5.3.2 材料類
  5.3.3 機械類
  5.3.4 防誤用、防誤插設計
  5.4 測試性

  5.5 保障性
  5.5.1 人員保障及技能培訓
  5.5.2 儀器、設備及工裝保障
  5.5.3 材料保障
  5.5.4 技術文件保障
  5.5.5 環境控制保障
  5.6 環境適應性
  5.7 本章小結

  第六章 固體繼電器加工與試驗驗證
  6.1 固體繼電器的加工和裝配
  6.2 固體繼電器的試驗驗證
  6.3 產品溫升試驗
  6.4 固體繼電器可靠度統計
  6.5 產品達到的主要技術指標滿足情況
  6.6 本章小結

第七章 總結與展望

  7.1 工作總結

  雙層 2 類固體繼電器主要適用于國防、工業控制領域,如計算機接口、數字電路接口、信號傳輸、數控設備及測量儀表,適用于環境惡劣的場合。本文通過了對該固體繼電器的研制,取得的主要成果如下:

 。1)根據用戶提出的要求,將產品的功能指標轉化為具體的電路功能模塊,對不同的電路功能模塊進行詳細設計和分析,并對每個功能模塊進行了電路仿真,重點設計了抗干擾延時電路,實現了對輸入信號 5ms 以內有效濾波,10ms 以上可靠接通的功能,避免了誤點火的現象,提升了電路的可靠性。

 。2)根據產品的電路和芯片的功率大小,針對外形尺寸體積的限制,確定采取雙層結構的設計,將大功率芯片安裝在下層,靠底座組的底板安裝,提供了良好的散熱環境。上層結構根據產品內部腔體的空余空間,巧妙的使用錯層設計,將磁隔離器安置在印制板背面,并設計了沉孔,同時錯開場效應管鍵合絲,充分利用了空間,降低了高度,使得產品內部高度為 9.305mm,實現了產品的小型化。根據最終結構計算出接通的電阻和熱阻,確定了產品的輸出電流拐點為 45℃和最高溫度下的降額電流值為 2A,在此要求下產品能夠可靠工作。

 。3)采用熱仿真和力學仿真對功率和結構設計進行了模擬驗證,降低了產品設計投產的風險?煽啃苑治,采用可靠性預計手段得出失效率為 8.0432(失效數/106h);采用FMECA分析,識別出產品輸出故障為最高危害II級,在使用時應采取冗余設計,并進行單路測量,減少風險。元器件進行了降額計算,均滿足 I 級的降額要求。固體繼電器維護使用,若出現故障可直接更換。所有測試項目均滿足 GJB1515A 要求和用戶的使用要求。固體繼電器對用戶的保障要求較低,無需專門的保障設施。固體繼電器在外殼的包裹下,所有自然和力學環境均滿足技術指標的要求。

 。4)對產品的設計和結構進行分析,結合對裸芯片的保護,設計了產品的工藝流程,并識別出重點需要保護的工藝步驟:底座功率組一次性共晶焊接和整件焊接清洗保護。設計了底座功率組耐高溫共晶焊夾具,保證零組件焊接的質量和位置,實現多零組件一次性高溫真空共晶焊接。整件焊接、清洗夾具確保了在焊接時錫珠不會飛濺在裸芯片上,清洗時只露出焊點,實現焊接、清洗整個過程對裸芯片的保護。對固體繼電器的烘烤進行了設置,采用兩個步驟:整件 120℃,24 小時的真空烘烤和封殼前 120℃,48 小時的真空烘烤,實現了水汽含量≤3000ppm、氧氣含量≤2000ppm、氫氣含量≤4000ppm 和二氧化碳含量≤5000pp.

 。5)最后根據 GJB1515A 和用戶的特殊要求,編制了鑒定大綱,抽取 12 只固體繼電器進行了全套的鑒定試驗,試驗結果表明,固體繼電器全面滿足技術指標要求。

  為驗證產品的實際工作溫升,抽取 3 只產品在拐點工作溫度 45℃和最高工作溫度 125℃下對底板溫度進行監測,溫度最高分別為 122.4℃和 131.6℃,與仿真結果一致,滿足使用要求。對產品壽命開關次數進行可靠度統計分析,失效率為 3.7014(失效數/107h),后期隨著產品的壽命試驗,也將進一步進行統計。

  7.2 未來的展望

  輸出功率較大的 2 類固體繼電器一般均采用變壓隔離器的方式進行輸入和輸出的隔離驅動,變壓隔離器體積較大,為進一步縮小體積,提高集成度,對變壓隔離器進行集成化研究

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致謝

  時光匆匆,如白駒過隙,值此定稿之際,我的工程碩士生活也即將畫上圓滿的句號。遙想入學之時,至今仍然歷歷在目,恍如隔日,不免感嘆光陰易逝、韶華難追。

  然而,艱辛而快樂的求學之路,也給我留下了很多難以忘懷的溫暖和幸福。本人論文寫作過程中經歷了多次波折,我深感這份喜悅和驕傲來之不易。除了欣喜,心中更多的還是感恩。

  首先我要感謝我尊敬的導師史江義教授,長期以來一直得到史教授熱心地幫助和指導,他淵博的學識、嚴謹的治學態度和認真的授業精神,對我影響深刻,使我在碩士生期間不斷成長和進步,并將在以后的歲月里繼續激勵我。在我撰寫學位論文的兩年多時間里,史教授在百忙之中抽出時間,在我對論文的選題、框架的調整、內容的增刪、乃至具體格式的規范等方面,都投入了大量的精力,提出了很多極具價值的建議意見,給了我極大的啟發和幫助,讓我領會到了一個真正學者所應該具有的風采以及治學為人的道理。特別是我的小孩出生后,史教授非常關心我們,經常對我們表示問候。借此機會再次表達我對史教授最深切的尊敬、愛戴和謝意。

  還有我的校外老師任海峰研究員,在工作當中也十分支持我進行學修的深造,和我探討畢業論文的內容,給我指出其中的要點、難點和可以深挖的地方。同時也要感謝我的同事,是他們直言不諱對我的論文提出了建議。

  最后,要感謝多年來一直給予我鼎立支持和無私奉獻的父母以及默默支持和照顧我學業和生活的妻子,沒有他們的付出與犧牲,我的課題研究無法順利完成。再次祝福和感謝我在攻讀工程碩士期間曾經關心和幫助過本人的老師、同學、同事,向你們表示最誠摯的謝意!

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