貼片蜂鳴器功能可靠性研究

1   引言

蜂鳴器是一種一體化構(gòu)造的電子訊響器，能發(fā)出蜜蜂一樣喻叫的聲音，當然發(fā)出的聲音比蜜蜂叫聲響得多。采用直流電壓供電，普遍應用于計算機、打印機、報警器、定時器等電子產(chǎn)品中做發(fā)聲器件。

蜂鳴器分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器，在此我們是圍繞壓電式蜂鳴器展開講述的，壓電式蜂鳴器主要組成結(jié)構(gòu)有多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成，當接通電源后（1.5-15 V 直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5-2.5 kHz 的音頻信號，阻抗匹配器推進壓電蜂鳴片進行發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成，在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處置后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。空調(diào)主板上使用的多為單面結(jié)構(gòu)的發(fā)聲單元。即用一片圓形壓電元件和金屬片等組合而成。把其固定在一個腔體內(nèi)，就形成壓電陶瓷蜂鳴器。

目前，空調(diào)用蜂鳴器幾乎都采用壓電陶瓷片，其具有壓電效應。即壓電陶瓷片在受力作用后，其厚度上發(fā)生機械變形，導致其表面上出現(xiàn)電荷或在其電極上產(chǎn)生電位差，當陶瓷蜂鳴器施加一個壓電片的極化方向相同的電壓時，則極化強度增強，陶瓷片就沿徑向伸長。反之，當外加電壓方向與陶瓷片極化方向相反時，極化強度減弱，陶瓷片就沿徑向收縮。即“電致伸縮”現(xiàn)象。由于粘膠在陶瓷片上的金屬片既不擴張也不收縮。當陶瓷片產(chǎn)生“電致伸縮”現(xiàn)象時陶瓷片徑向伸縮變?yōu)閺澢駝?。當陶瓷片產(chǎn)生時大時小，時上時下的振動，前期周圍的空氣發(fā)出相應的聲波，當聲波與共振腔體產(chǎn)生共振時，就可以聽到比較大的聲音了。

圖1 壓電陶瓷蜂鳴器基本構(gòu)造

2   失靈原因及失效機理分析

貼片蜂鳴器通過貼裝焊接組裝后，經(jīng)過在線電測出現(xiàn)大量蜂鳴器開短路異常，通過對異常品的解剖、X 光、模擬實驗等大量異常數(shù)據(jù)樣本的比對分析，發(fā)現(xiàn)其故障現(xiàn)象存在以下3 個方面影響。

圖2 異常數(shù)據(jù)樣本的比對

（1）廠家制作過程工藝粗糙引起的故障不良，如蜂鳴器焊盤與壓電片間漏焊接，僅用膠水固定，連接不穩(wěn)定，測試過程呈現(xiàn)開路現(xiàn)象。廠家焊接出現(xiàn)虛焊冷焊，周轉(zhuǎn)及使用過程出現(xiàn)脫焊，焊料使用不當，膜片異物等制程低級問題如下圖3。

圖3 產(chǎn)品生產(chǎn)制作過程造成產(chǎn)品缺陷問題

供應商生產(chǎn)產(chǎn)品本身質(zhì)量可靠性差，同時相應的質(zhì)量監(jiān)控手段缺乏，需完善提高。

（2）器件受熱環(huán)境不同引發(fā)故障率上漲，核查該蜂鳴器共使用在四款線控器上，其中1 款貼裝面在B 面（雙面板的第二次回流焊接面）使用過程僅承受一遍回流焊溫度影響，其他3 款的貼裝面在A 面，第一次回流焊接便進行了貼裝，在使用過程中需承受兩遍回流焊溫度影響（回流焊峰值溫度達245±5 ℃，器件通過波峰焊時不涉及焊接，所受溫度影響可忽略）。通過對此類下線樣品的復核，發(fā)現(xiàn)其失效形式主要為漆包線漆膜脫落，與另一根漆包線或壓電片電極產(chǎn)生短路。

通過統(tǒng)計各款線控器的總制作數(shù)及其因材質(zhì)受熱產(chǎn)生故障的總下線故障率后發(fā)現(xiàn)，承受一遍回流焊溫度影響的蜂鳴器下線率要遠低于承受兩遍回流焊接溫度影響的的蜂鳴器。可見通過回流焊次數(shù)對蜂鳴器本身材質(zhì)的耐熱性能存在明顯的關(guān)聯(lián)，如圖4。

圖4 回流焊次數(shù)對蜂鳴器材質(zhì)耐熱性能的影響

圖5 X光透視內(nèi)部開裂情況

表1 核查該款蜂鳴器使用對應主板焊接受熱情況及下線數(shù)據(jù)對比

備注：該處下線數(shù)僅針對復核分析故障原因為膜片開裂或漆包線漆膜融化短路故障品

（3）蜂鳴器內(nèi)部壓電片制作過程中未注重環(huán)境溫濕度管控導致壓合殘留水汽，經(jīng)使用過程回流焊受高溫膨脹引起陶瓷層產(chǎn)生開裂；蜂鳴片生產(chǎn)過程中，陶瓷層與基片膠合制程作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境濕度過高，膠水中吸附濕氣，導致膠合后中間粘結(jié)層存在氣泡，在產(chǎn)品經(jīng)過使用端回流焊高溫時，陶瓷底部膠水層的氣泡受高溫影響膨脹，將陶瓷層頂開裂，最終引起不良發(fā)生；生產(chǎn)使用過程回流焊接物料受熱溫度急劇上升（240±5 ℃），水汽膨脹造成彈片開裂，陶瓷膜片開裂形變錯位造成上下電極接觸形成短路或不穩(wěn)定短路以及電容值小故障。故障蜂鳴器解剖后陶瓷膜片情況如圖6。

圖6 故障蜂鳴器解剖后陶瓷膜片情況

圖7 通過X光透視內(nèi)部開裂情況

這表明，蜂鳴器的故障受以下三個因素影響：

供應商粗糙的加工工藝和不受控的質(zhì)量保障；

蜂鳴器本身材質(zhì)耐焊接熱水平偏差；

蜂鳴器生產(chǎn)加工時未注重環(huán)境溫濕度管控。

3   可靠性提升

方案一：生產(chǎn)制造工藝及控制加嚴

針對點焊機漏焊、焊點異常過程有效控制，制作過程調(diào)整點焊機設(shè)置，將點焊機的計數(shù)調(diào)整為整條工裝蜂鳴片的數(shù)量20 片，點焊時設(shè)備在進行20 片時會進行報警提示，防止整條工裝中個別未點焊。同時，針對蜂鳴片點焊質(zhì)量檢查由人工檢查更改為CCD 的放大全檢，通過放大將點焊不良以及打膠不良進行挑出。并將控制要求添加入作業(yè)指導書知道現(xiàn)場生產(chǎn)。出貨加嚴抽檢，批量驗證未出現(xiàn)低級制作問題引發(fā)的生產(chǎn)下線。

優(yōu)化手操器回流焊接工藝流程，調(diào)整器件位置，首先從多次焊接受熱方面降低影響，并同時提升核心材料耐熱性能。

1. 通過優(yōu)化電路及整體線控器設(shè)計，將蜂鳴器調(diào)整至B 面焊接，減少焊接受熱次數(shù)。

2. 將內(nèi)部漆包線材質(zhì)更換成耐熱性能更佳的型號，由P180 改為E180，提升漆包線承受焊接溫度能力。

針對環(huán)境濕氣引起蜂鳴片過回流焊升溫膨脹開裂，制定以下措施進行整改優(yōu)化。

1. 針對陶瓷片膠合生產(chǎn)車間增強房間密封性，隔層玻璃由單層更改為雙層，同時增加除濕機空調(diào)等設(shè)施。將制作加工環(huán)境溫度恒定在18-28 ℃，40-70% RH 條件下。

2. 物料來料包裝形式由普通的編帶包裝更改為真空包裝，且內(nèi)置干燥劑和濕度卡，確保物料中途不會再次受潮。

3. 出貨前100% 電測，進行回流焊測試，并且在點焊前增加120 ℃高溫烘烤4 小時，確保最大程度在高溫下將不良催化在內(nèi)部發(fā)生出來。

表2 工藝流程優(yōu)化前后對比

4   結(jié)語

本文結(jié)合大量失效品分析，對我司貼片蜂鳴器失效原因及失效機理進行分析，分析結(jié)果表明貼片蜂鳴器耐焊接能力差且制程工藝受人為因素影響大，制造工藝問題突出。過程使用焊接熱加工容易引起器件產(chǎn)生失效。經(jīng)過對貼片蜂鳴器的失效機理分析，確定采取優(yōu)化過程生產(chǎn)工藝和提升貼片蜂鳴器材質(zhì)耐焊接熱能力，經(jīng)過實際實驗驗證可以大幅度提高貼片蜂鳴器的耐焊接熱性能及可靠性。同時提升供應商制程環(huán)境溫濕度管控水平，避免陶瓷片二次受熱開裂。從器件本身和加工使用過程兩方面入手，該整改思路可靠，相關(guān)整改方案已經(jīng)得到實際跟蹤驗證，貼片蜂鳴器質(zhì)量可靠性得到有效提升，該整改思路及可靠性提升方案行業(yè)均可借鑒。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期）