电机控制器的可靠性风险评估体系设计与应用

史峥宇，向林，胡兴，李星辉，舒心，孙丹丹

（湖南航天天麓新材料检测有限责任公司，长沙 410313）

引言

电机控制器作为将电源直流电转换为电机所需交流电的逆变器，是众多传动系统不可或缺的关键部件。以电动汽车为例，电机控制器根据总控台指令，将电池包的电能通过功率开关器件调制成特定幅值与频率的电压电流，从而驱动电机产生整车所需的转矩与转速[1]。

电动汽车对零部件可靠性的要求非常高，而作为电动汽车“三电”之一的电机控制器，是集强电转换驱动、弱电检测控制于一体的机电部件，其设计制造的复杂程度与服役应用的严酷工况，对产品可靠性提出了更加苛刻的要求[2-3]。如何建立一套合理高效的可靠性工作体系，以指导电机控制器的可靠性管理与技术工作，一直是电机控制器的研发与验证工作的重点。

1 可靠性风险评估体系设计

基于上述电机控制器的可靠性需求，我们围绕电机控制器的研发制造提出了一套可靠性风险评估体系，以达到保障和提高其一致性、稳定性与可靠性的目的。

电机控制器的可靠性风险评估体系整体架构如表1所示，其设计原则与思路为：采用各类可靠性技术与管理工具[4-9]对电机控制器进行多角度风险评估分析，提升对潜在缺陷损伤与早期故障退化等的检测与激发，使问题尽早尽多的暴露出来并反馈改进，加强对产品物料、设计与生产等各环节的风险管控。

表1 可靠性风险评估体系整体架构

2 可靠性风险评估体系应用

我们通过使用可靠性风险评估体系中各个工具项点，暴露识别了多个电机控制器产品的潜在问题，包括物料选型的不匹配、设计不合理引入的缺陷、工艺制程带来的损伤退化、包装搬运方式面临的风险等。通过改善识别的风险项，达到了保障产品一致性与稳定性，提升质量与可靠性的目的。期间我们也对评估体系进行了持续的完善优化，随着产品数据的积累，其产生的正向效果已越来越显著，下面为可靠性风险评估体系的一些工具项点的应用示例。

2.1 物料技术审查应用

通过对电子物料进行技术审查，我们暴露了众多物料选型或仓储管理等问题。如应用于控制板的某型塑封电源芯片（潮湿敏感度等级为3），通过声学扫描判定其在回流焊工序前后皆有不合格品（如图1所示，在绑定线框架位置存在较多分层，说明器件的塑封材料吸潮严重且耐温特性较差），这推动了物料选型替代和设计优化，降低控制板后期应用的失效风险，也成为向供应商退货索赔处理的重要依据。

图1 某型塑封电源芯片声学扫描出现分层

2.2 PCBA符合性检查应用

在对某型电机控制器的PCBA进行符合性检查时，我们发现了诸多因设计不当引入的缺陷和工艺制程的不合格项。如某型PCB的电容焊盘下设计了散热过孔，这会导致焊锡塌陷，出现虚焊假焊等现象，降低焊接力度、增加导通阻抗（如图2(a)所示）；接插件的某一引脚焊接时润湿异常，导致侧面没有爬锡的情况（如图2(b)所示）；以及直插件焊接时润湿异常，造成润湿角大于90 °的情况（如图2(c)所示）。

图2 某型PCBA符合性检查发现的不合格项

2.3 强化激发试验应用

通过对电机控制器进行强化激发的高加速寿命试验，我们激发暴露了许多设计不足之处。如某型控制器在高温应力（环境温度≥100 ℃）下，出现整机无法正常下电故障，分析发现上下电回路中的一个NMOS开关管，其阈值电压将随温度升高而降低（如图3(a)所示）。而设计时未充分考虑高温状态下的参数漂移，这导致高温进行下电操作时，在源电压未完全放电情况下，该NMOS的阈值电压将低于栅极电压而无法关管。通过将源电压端的分压电阻由30.1 kΩ增大为100 kΩ，可确保在源电压偏差与阈值电压漂移的极限情况下（如图3(b)所示），仍能实现对该NMOS的稳定开关控制。

图3 HALT高温时，NMOS阈值电压漂移问题分析

2.4 返回件可靠性分析应用

在针对电机控制器返回件的分析中，我们不但发现了产品的退化性失效，也发现了一些因操作而引起的故障。如对壳体与包装底座的搬运时，未充分识别旋变线束外露的风险，使得线束存在被拉拽与刮擦的可能，线束面临绝缘层开裂电芯外露、断裂破损、短路漏电等风险，甚至导致线端连接器的针脚变形退针、焊脚开裂脱落的情况（如图4(a)所示）；经三万公里路试后，电机控制器的支撑电容因母线铜排高温与机械应力等影响导致电容壳体开裂，电容芯子薄膜吸潮后造成Y电容短路烧毁，这使得电机控制器在电性能上呈现绝缘耐压性能下降（如图4(b)所示）。

图4 返回件可靠性分析发现的产品失效

2.5 失效分析应用

市场售后返回一款电机控制器出现CAN报文丢失故障，在一系列电测试后锁定到为MCU供电的3.3 V电源支路异常（正常供电应为3.3 V，实测为2 V左右；功率电感两端阻抗正常为mΩ级，实测达到kΩ级），经无损检查发现该电感的焊盘1呈现碎裂沙化状（如图5(a)所示）。破坏性推拉焊盘后发现焊接面的锡焊未充分润湿聚集（如图5(b)所示），且异常焊盘推力值（52 N）远低于正常推力值（95~115 N）。

图5 功率电感的焊接形貌分析

此电感还应用于众多型号的电机控制器，初步检查发现其他控制板的此型电感焊盘也有部分存在较为严重的散碎状。因担心此问题会引发批次性故障，故对此进行了系统地试验检测，对潜在的根本原因进行了逐一验证排除与分析确认：通过产线进行人工压按试验，排除了电感贴片过程中人工干预或物料过重等造成少锡的可能；检查同块板上其他元器件焊接情况，发现无此类异常，并回溯炉温曲线检查记录，排除了回流焊温度或时间不够充分的可能；对电感物料的储存使用进行了回溯查验，并无超期情况和不合规之处。

但是在对库存电感物料进行显微形貌观察时，发现电感的焊脚粘有黑色粉状异物，以及电感底部的焊脚周边具有易碎性粉末状物质（如图6(a)所示），经切片确认为电感的磁芯材料（如图6(b)所示）。因此推测是物料焊接面受污染，回流焊时异物使焊锡不能有效熔融聚集引起的。为验证此推测，对异常样品的焊接面选点进行成分分析，结果发现焊盘中有大量Fe、Zr与Te等非锡膏中所含的金属元素（如图6(c)所示），而这些通常在电感磁芯材料中被广泛应用，对焊盘边缘粉体材料的能谱分析也可对此进行验证（如图6(d)所示），结合其他数据支撑，确定了此类失效是因电感物料的焊脚被磁芯粉体污染所致。

图6 电感焊接异常的根因分析

3 结语

本文针对电机控制器面临的各类可靠性风险，设计了一套全新的解决方案——可靠性风险评估体系，分析了评估体系的应用成效并辅以相应示例来证明：通过持续运行可靠性风险评估体系，可以显著提高电机控制器的一致性、稳定性与可靠性。