双层结构的2类固体继电器结构的设计

摘要

　　固体继电器是由电子元器件、集成电路、混合集成电路组成的无触点继电器，是一种功率电子开关电路，被广泛应用于航空航天、兵器船舶、计算机控制、电机控制等自动化控制领域。2类固体继电器是由分立元器件、膜固定电阻和裸芯片，并采用混合工艺组装的结构。固体继电器的接通一般在30μs左右，若输入有干扰脉冲，很容易导致误动作，应增加抗干扰功能。国内2类固体继电器一般采用双层结构，但此结构会增加固体继电器高度，急需对内部结构进行优化设计。

　　本文根据2类固体继电器的技术指标要求与体积限制要求，确定了主体电路框架，由门限电路、抗干扰延时电路、振荡电路、隔离电路、整流滤波电路、释放电路和输出电路组成。其中抗干扰延时电路是防止输入有微秒或毫秒级的脉冲干扰。抗干扰延时电路采用RC电路结构，可以对输入5ms以内的瞬态干扰信号进行滤波，实现固体继电器的可靠动作。

　　为实现2类固体继电器的小型化，对双层结构进行优化，上层为驱动电路，下层为输出电路。将大功率芯片靠底座组的底板进行安装，增强散热性能。输入驱动部分采用双面通孔金属化厚膜电路板结构与印制板进行回流焊，增加固定强度，减少连接引线。磁隔离器安装在印制板背面，并采用沉孔下沉安装，与下层结构进行错层设计，充分利用了结构空间，实现了固体继电器小型化。

　　对双层结构的2类固体继电器结构进行分析，结合裸芯片的特点进行保护，对工艺流程进行优化设计。对下层结构一体共晶成型的要求，设计专用专属工装耐高温夹具，实现一次性共晶焊固定成型。上层结构和下层结构焊接时，对裸芯片进行整体保护，设计焊接、清洗保护夹具，只露出需要焊接的部位，其余全部采用夹具进行保护包裹，实现了对裸芯片的保护。还对2类固体继电器的烘烤进行了设置，采用两个步骤：整件120℃，24小时的真空烘烤和封壳前120℃，48小时的真空烘烤，实现了水汽含量≤3000ppm,氧气含量≤2000ppm,氢气含量≤4000ppm和二氧化碳含量≤5000ppm的内部气氛控制要求。

　　对2类固体继电器进行了充分的六性分析。最后对应技术指标要求设置了试验方案，进行了全套的鉴定试验，试验结果全面满足技术指标的要求。

　　关键词：2类固体继电器，抗干扰延时，错层结构，焊接清洗保护

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

目录

　　第一章 绪论

　　1.1 课题的来源及研究目的和意义

　　固体继电器根据其开关输出电压性质分直流固体、交流固体继电器和交、直流通用固体继电器三大类型。根据隔离电路不同又可分为磁隔离、光耦合器隔离、光伏（电池）隔离等类型。按照总体性能又分为智能/总线（SSPC）、通用固体继电器以及特种固体继电器等[1],如图 1.1 所示。

　　工厂是国内最早研制开发军用固体继电器的企业之一。工厂固体继电器发展分为六个发展阶段：

　　第一阶段--上世纪 60 年代提出晶体管、可控硅输出型固体继电器研发，并实现了样机考核，由于输出漏电流及功耗较大原因，未推广应用；第二阶段--上世纪 80 年代率先采用 MOSFET 作为固体继电器功率输出，由于当时尚无相关国家军用标准及"七专"技术条件，调研、跟踪国外相关军用固体继电器发展的技术水平，产品技术指标参照 MIL-PFR-28750 要求，并结合武器型号要求及国内条件制订，受当时半导体器件水平的限制，技术指标及可靠性相对较低，产品未能在武器系统中广泛推广，仅用于部分地面武器系统；第三阶段--上世纪 90 年代随着半导体技术的飞速发展，工厂固体继电器研发结合工厂的实际情况，以新颁布实施的 GJB1515-1992《固体继电器总规范》的 1 类结构（分立器件）为基本平台进行产品设计及质量控制，产品技术性能、可靠性、质量情况及工艺水平得到大幅提升，能够满足武器型号的应用要求，产品重点推广于兵器及航天系统部分领域[2];第四阶段--本世纪初，随着新标准 GJB1515A-2001《固体继电器总规范》颁布和实施，工厂以该标准为基本平台，所有新研产品的主要技术指标均全面满足国军标的要求，产品以 1 类结构为主，产品广泛应用于航空、航天、兵器及中电领域[3];第五阶段--随着武器系统可靠性要求的提高，2007 年工厂引进混合组装工艺技术，并率先提出产品开发以国军标为基础，综合考虑工程应用可靠性的思路，将产品研发考核由试验室模式向工程化应用考核的转变，设计上处于国内领先水平，固体继电器、固体控制模块及智能固体继电器性能指标优于国内同类产品[4],2 类军用固体继电器开始进行研制发展；第六阶段--也就是现阶段。目前，随着可靠性的要求越来越高，军用 2 类固体继电器的需求不断增大，正逐渐取代 1 类分立结构的固体继电器；对 2 类固体继电器的内部结构进行优化设计，实现产品的小型化；2 类固体继电器在实现时有很多结构与工艺的实现难点，特别是双层结构的 2 类固体继电器，实现工艺有很大难度，是 2类固体继电器工程化的主要技术壁垒之一；因此，对双层结构 2 类固体继电器进行设计探索与优化研究，有非常大的实用和推广价值。当 2 类固体继电器的清洗和手工焊接涉及到裸芯片时，需要进行特殊保护，因为裸芯片表面极易被划伤和氧化染污，故设置合理的工艺步骤和工装夹具对裸芯片进行保护意义重大。固体继电器的接通速度一般为微秒级，如果输入前端有微秒或毫秒级的干扰脉冲，会导致固体继电器出现瞬通的现象。如果在点火应用中，出现误点火的现象，会给整机电路造成影响。本文对输入抗脉冲干扰进行电路研究，尽可能用最少的元器件实现抗干扰电路，实现 2 类固体继电器的小型化。

　　1.2 国内外现状

　　固体继电器中主要含有的都是固体电子元件，通过其中各个电子元器件的电、光特性等来分离输入与输出，由此实现对电路的有效控制。固体继电器的应用具有较大的优势，特别是体现在高可靠性、低功耗、使用年限久、高灵敏度等方面，具有较强的耐用性，正是由于这些优势，已经广泛应用到了工业生产和军事领域中。在军事领域中使用较多的是在 20 世纪 60 年代出现的军用固体继电器，其能够有效地完成电路的电切换功能，但是早期的固体继电器的开关管只有三极管、可控硅器件可用，产品的功能、性能受限，专业技术发展不快。后来到了 80 年代，出现了更先进的 MOSFET、IGBT 器件等，使得固体继电器的性能得到了改善，并且解决了过去双极型器件的二次击穿失效模式问题。MOSFET 器件的应用将开关漏电流从原先的 mA 级减小到 μA级，提高了开关的速度，这都使得军用固体继电器得到了更多的应用[5].

　　美国在固体继电器研发领域投入了较大的精力，很多公司都推出了较为领先的产品，其中 TELEDYNE 公司在固体继电器研究方面取得了丰硕的成果，并逐步发展成为世界著名的继电器研发企业。在近些年更是推出了不同类型的军用固体继电器，很多都具有抗辐射功能，拓展了其在军事领域的应用，该公司固体继电器内部结构示意图如图 1.2 所示。随着固体继电器技术的持续发展，逐步出现了更先进的智能化固体继电器，其功能具有明显的智能化和自动化特征，例如能够自动对线路进行监测，并及时发现其中的故障问题，通过这种方式为用户提供更高质量的服务。与此同时，抗辐射加固固体继电器也开始应用到了卫星等领域中[6].

　　固体继电器目前已经广泛应用到了各种类型的家电中，特别是各种类型的小电流交流固体继电器，在各种家电设备中已经发挥了重要的作用。其中夏普公司推出的PR23MF11NSZ 型固体继电器在应用中具有明显的优势，其使用的成本较低，体积较小，相对于传统的电磁继电器，体积降低了一半，体积功耗比降低了四分之三。另外还有日本推出的 SN 超薄型固体继电器也得到了较多的应用。国外在设计固体继电器方面广泛使用了 VDMOS 器件与 IGBT 器件，二者将固体继电器的输出能力分别提升到 100V/30A、1700V/800A,工作频率则分别能够达到 100kHz、150kHz[7].

　　我国军用固体继电器总规范的编制基本等效美军标 M28750,1992 年出版，2001年出版了修订稿，也基本为翻译稿，尽管相应的基础标准都是翻译稿，受基础工业的限制，可操作性较差，但作为他山之石，一面镜子，一个技术平台，可以借鉴并推动我国军用固体继电器专业的发展。如今，我国军用固体继电器适用的规范主要为GJB1515A-2001《固体继电器总规范》，和具体产品参照总规范制定的详细规范，或参照总规范及用户任务书指标要求制定的企业军用标准、技术条件。部分产品还符合用户与总装备部联合管理的可靠性增长科研项目考核要求。

　　在"十二五"期间，我国军用固体继电器多个生产厂家进行了较大规模的投资，金额在二亿元左右，出色完成了国家的战略计划任务，完成了重大的工程项目配套任务，包括"神舟九号"、"神舟一号"、"北斗导航"、"大型运输机"、"航母工程"、"高铁工程"等等[8].陕西群力电工有限公司推出了输出单向防反导通的固体继电器[9],并通过了固体继电器贯彻国军标生产线的验收；贵州航天电器股份有限公司完善了固体继电器50 多个品种，实现用户的不同配套要求；北京市科通电子继电器总厂有限公司根据用户的要求推出了全 2 类混合结构的 SSPC 固体功率控制器，能够实现输入多种控制，对输出进行过流和过压保护。在"十三五"期间，我国固体继电器的占有率将进一步提升，固体继电器将广泛应用于民用、商用、军用等领域，而我国军用固体继电器的核心器件芯片多依赖进口，随着国际贸易战的影响，很多国外的芯片将越来越难以购买，这就急需我国进行自主芯片的研制。在"十三五"期间还提出，固体继电器需进一步提升质量等级和可靠性等级，向着宇航级迈步[10]. 现在国外军用固体继电器已广泛采用 2 类混合结构，而我国军用固体继电器采用2 类混合结构尚属刚起步行走阶段。固体继电器随着 2 类混合结构的应用，集成化、小型化的结构设计凸显得尤为重要。国内军用 2 类固体继电器的内部结构存在很多可以优化的地方，如功率输出芯片固定在陶瓷基板上后，陶瓷基板采用粘接的方式进行固定，存在力学环境性能不高、导热性能较差的问题；厚膜电路板为单面设计，也是采用粘接的形式固定，国内 2 类固体继电器的内部结构优化还有很大的提升空间，需进一步进行完善。固体继电器由 1 类分立结构到 2 类混合结构的转变，不仅在结构上有许多难点需要一一攻克，在装配工艺控制上也存在可以优化的地方。国外工艺技术虽然先进，但由于国内制造设备限制，同时也很难获得国外先进工艺的细节，特别是双层结构的实现，无法采用 1 类的工艺直接代替，需要进行攻关。国外尚无输入抗干扰的固体继电器，国内也是首次提出此概念，特别是在有限的空间里进行电路设计，无法使用过多的元器件或单片机进行，既要考虑电路功能的实现也要考虑空间结构的限制。

　　1.3 课题主要研究内容

　　本文的主要研究内容如下：

　　1、固体继电器电路设计：固体继电器拥有开通速度快，反应灵敏的特点，但若在使用的整机电路中存在浪涌电压或残余电压，会导致产品误动作，论文拟研究抗干扰延时电路，减少误动作的发生。以提高继电器可靠性。

　　2、固体继电器结构设计：由于 1 类分立器件体积的限制，故同等参数条件下的产品体积较大，当采取 2 类结构时，在产品功能不变的情况下，可以很大程度上的缩小体积，实现产品小型化。针对 2 类固体继电器裸芯片的特点，拟采用双层结构实现，对内部结构进行仿真并优化。

　　3、固体继电器工艺流程设计：由于裸芯片的特殊性，焊接需要助焊剂来保证焊接的质量，焊接时会有锡珠飞溅，而清洗不到位会导致裸芯片的粘污，降低产品可靠性与寿命。论文拟针对双层结构的 2 类固体继电器，实现在存在裸芯片情况下的焊接工艺，保障双层结构固体继电器的可靠加工。

　　4、固体继电器六性分析：对产品的设计根据 Q/RY.J0448-2014《产品可靠性、维修性、安全性、测试性、保障性、环境适应性"六性"设计与分析指南》进行六性的分析。

　　5、固体继电器加工与试验验证：对设计的固体继电器进行加工与装配，根据技术指标要求对固体继电器进行相关的试验，统计鉴定试验的内容，确保固体继电器满足技术指标要求。

　　1.4 主要技术指标

　　固体继电器根据以往平台控制要求，并根据用户提出的相关要求制定技术指标。

　　国内有相似的固体继电器，但输入无抗干扰延时功能，且体积比本次拟设计的固体继电器较大，国外无类似的产品可进行对比，具体如表 1.1 所示，固体继电器的外形尺寸和底视电路图如图 1.3 所示：

　　第二章 固体继电器电路设计
　　2.1 总体电路的设计
　　2.2 门限电路设计
　　2.3 抗干扰延时电路设计

　　2.4 振荡电路、隔离电路、整流滤波电路和稳压电路设计
　　2.4.1 振荡电路设计
　　2.4.2 隔离电路设计
　　2.4.3 整流滤波电路和稳压电路设计
　　2.5 快速释放电路设计
　　2.6 输出电路设计
　　2.7 本章小结

　　第三章 固体继电器结构设计
　　3.1 内部结构设计
　　3.1.2 下层结构设计
　　3.1.3 上层结构设计
　　3.2 热性能计算
　　3.2.1 热阻计算
　　3.2.2 温升计算

　　3.3 结构设计仿真
　　3.3.1 热仿真
　　3.3.2 力学仿真
　　3.4 本章小结

　　第四章 固体继电器工艺流程设计
　　4.1 总体工艺流程设计
　　4.2 底座功率组共晶夹具设计
　　4.3 整件焊接、清洗夹具设计
　　4.4 工艺风险分析
　　4.5 内部气氛控制
　　4.6 本章小结

　　第五章 固体继电器六性分析
　　5.1 可靠性分析
　　5.1.1 可靠性预计
　　5.1.2 故障模式影响与危害性分析
　　5.1.3 降额计算
　　5.2 维修性

　　5.3 安全性
　　5.3.1 电气安全设计
　　5.3.2 材料类
　　5.3.3 机械类
　　5.3.4 防误用、防误插设计
　　5.4 测试性

　　5.5 保障性
　　5.5.1 人员保障及技能培训
　　5.5.2 仪器、设备及工装保障
　　5.5.3 材料保障
　　5.5.4 技术文件保障
　　5.5.5 环境控制保障
　　5.6 环境适应性
　　5.7 本章小结

　　第六章 固体继电器加工与试验验证
　　6.1 固体继电器的加工和装配
　　6.2 固体继电器的试验验证
　　6.3 产品温升试验
　　6.4 固体继电器可靠度统计
　　6.5 产品达到的主要技术指标满足情况
　　6.6 本章小结

第七章 总结与展望

　　7.1 工作总结

　　双层 2 类固体继电器主要适用于国防、工业控制领域，如计算机接口、数字电路接口、信号传输、数控设备及测量仪表，适用于环境恶劣的场合。本文通过了对该固体继电器的研制，取得的主要成果如下：

　　（1）根据用户提出的要求，将产品的功能指标转化为具体的电路功能模块，对不同的电路功能模块进行详细设计和分析，并对每个功能模块进行了电路仿真，重点设计了抗干扰延时电路，实现了对输入信号 5ms 以内有效滤波，10ms 以上可靠接通的功能，避免了误点火的现象，提升了电路的可靠性。

　　（2）根据产品的电路和芯片的功率大小，针对外形尺寸体积的限制，确定采取双层结构的设计，将大功率芯片安装在下层，靠底座组的底板安装，提供了良好的散热环境。上层结构根据产品内部腔体的空余空间，巧妙的使用错层设计，将磁隔离器安置在印制板背面，并设计了沉孔，同时错开场效应管键合丝，充分利用了空间，降低了高度，使得产品内部高度为 9.305mm,实现了产品的小型化。根据最终结构计算出接通的电阻和热阻，确定了产品的输出电流拐点为 45℃和最高温度下的降额电流值为 2A,在此要求下产品能够可靠工作。

　　（3）采用热仿真和力学仿真对功率和结构设计进行了模拟验证，降低了产品设计投产的风险。可靠性分析，采用可靠性预计手段得出失效率为 8.0432（失效数/106h）；采用FMECA分析，识别出产品输出故障为最高危害II级，在使用时应采取冗余设计，并进行单路测量，减少风险。元器件进行了降额计算，均满足 I 级的降额要求。固体继电器维护使用，若出现故障可直接更换。所有测试项目均满足 GJB1515A 要求和用户的使用要求。固体继电器对用户的保障要求较低，无需专门的保障设施。固体继电器在外壳的包裹下，所有自然和力学环境均满足技术指标的要求。

　　（4）对产品的设计和结构进行分析，结合对裸芯片的保护，设计了产品的工艺流程，并识别出重点需要保护的工艺步骤：底座功率组一次性共晶焊接和整件焊接清洗保护。设计了底座功率组耐高温共晶焊夹具，保证零组件焊接的质量和位置，实现多零组件一次性高温真空共晶焊接。整件焊接、清洗夹具确保了在焊接时锡珠不会飞溅在裸芯片上，清洗时只露出焊点，实现焊接、清洗整个过程对裸芯片的保护。对固体继电器的烘烤进行了设置，采用两个步骤：整件 120℃，24 小时的真空烘烤和封壳前 120℃，48 小时的真空烘烤，实现了水汽含量≤3000ppm、氧气含量≤2000ppm、氢气含量≤4000ppm 和二氧化碳含量≤5000pp.

　　（5）最后根据 GJB1515A 和用户的特殊要求，编制了鉴定大纲，抽取 12 只固体继电器进行了全套的鉴定试验，试验结果表明，固体继电器全面满足技术指标要求。

　　为验证产品的实际工作温升，抽取 3 只产品在拐点工作温度 45℃和最高工作温度 125℃下对底板温度进行监测，温度最高分别为 122.4℃和 131.6℃，与仿真结果一致，满足使用要求。对产品寿命开关次数进行可靠度统计分析，失效率为 3.7014（失效数/107h），后期随着产品的寿命试验，也将进一步进行统计。

　　7.2 未来的展望

　　输出功率较大的 2 类固体继电器一般均采用变压隔离器的方式进行输入和输出的隔离驱动，变压隔离器体积较大，为进一步缩小体积，提高集成度，对变压隔离器进行集成化研究

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　　[44] 刘强， 邵金华， 杨朝敏。 装备"六性"质量监督工作研究[J]. 航空标准化与质量， 2016（3）：35-38.
　　[45] 陈胜坚。 探讨电子设备的可靠性统计试验方法[J]. 中国新通信， 2018（15）215.

致谢

　　时光匆匆，如白驹过隙，值此定稿之际，我的工程硕士生活也即将画上圆满的句号。遥想入学之时，至今仍然历历在目，恍如隔日，不免感叹光阴易逝、韶华难追。

　　然而，艰辛而快乐的求学之路，也给我留下了很多难以忘怀的温暖和幸福。本人论文写作过程中经历了多次波折，我深感这份喜悦和骄傲来之不易。除了欣喜，心中更多的还是感恩。

　　首先我要感谢我尊敬的导师史江义教授，长期以来一直得到史教授热心地帮助和指导，他渊博的学识、严谨的治学态度和认真的授业精神，对我影响深刻，使我在硕士生期间不断成长和进步，并将在以后的岁月里继续激励我。在我撰写学位论文的两年多时间里，史教授在百忙之中抽出时间，在我对论文的选题、框架的调整、内容的增删、乃至具体格式的规范等方面，都投入了大量的精力，提出了很多极具价值的建议意见，给了我极大的启发和帮助，让我领会到了一个真正学者所应该具有的风采以及治学为人的道理。特别是我的小孩出生后，史教授非常关心我们，经常对我们表示问候。借此机会再次表达我对史教授最深切的尊敬、爱戴和谢意。

　　还有我的校外老师任海峰研究员，在工作当中也十分支持我进行学修的深造，和我探讨毕业论文的内容，给我指出其中的要点、难点和可以深挖的地方。同时也要感谢我的同事，是他们直言不讳对我的论文提出了建议。

　　最后，要感谢多年来一直给予我鼎立支持和无私奉献的父母以及默默支持和照顾我学业和生活的妻子，没有他们的付出与牺牲，我的课题研究无法顺利完成。再次祝福和感谢我在攻读工程硕士期间曾经关心和帮助过本人的老师、同学、同事，向你们表示最诚挚的谢意！

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