散熱器結構可靠性分析與研究

0   引言

散熱器是控制器及業(yè)內控制器組件內核心器件，其性能工作狀態(tài)直接影響空調的調試及使用，當散熱器表面出現(xiàn)毛刺、粗糙度異常等性能問題時會使機組停止工作，顯示器上會顯示故障代碼，這將直接影響用戶對產品運行狀態(tài)的錯誤判斷從而影響產品質量，因此研究散熱器設計及工作可靠性，提高消費者對品牌的滿意度具有十分重要的意義。

1   事件背景

散熱器是用導熱較好、成本較低的鋁材制成，散熱器上有很多葉片。通過把散熱器裝在空調的發(fā)熱模塊上，空調運轉時，能夠較好地把空調運轉過程中的熱通過散熱模塊傳輸給散熱器的安裝面，熱量通過葉片散發(fā)出去，從而使得空調運轉過程產生的熱能得到發(fā)散，維持正常運轉。因散熱器主要制作工藝是是由鋁材廠開成形模具，按照圖紙及文件要求將原材料經下料切割、鉆孔、攻牙、拉絲、銑面、銑槽、氧化處理等一系列加工工序，因加工工序較多及清銑過程中極易造成銑面等質量異常發(fā)生，進一步造成功率控制器件失效。生產過程和售后大比例控制器失效會嚴重影響空調整體產品質量及用戶實際體驗效果，問題急需進行分析研究解決。流程圖如圖1所示。

1.來料切割	2.打磨去毛刺	3.轉孔
4.銑平面	5.倒內角	6.倒外角（6-c0.5）
7.攻M3牙（5個M3孔）	8.刮側邊毛刺	9.刮凸臺毛刺
10.裝箱	11.鍍氧化膜	12.全檢平面度

圖1 流程圖簡介

2   失效原因及失效機理分析

在復核空調頂控制器過程中，通過對功率器件失效故障的排查，發(fā)現(xiàn)均為散熱不均勻所導致，產線測試也多次出現(xiàn)功率器件失效異常，具體失效機理分析如下。

1)倒角偏大或偏小、不圓的主要原因是：多軸倒角及鉆孔設備無固定板，導致容易偏擺，在鉆孔時會出現(xiàn)孔位偏移，倒角時倒角鉆頭偏擺的情況時有發(fā)生。

2)劃傷問題是散熱器最容易忽略的問題：主要由于原材料不良、氧化廠氧化過程中導致，及搬運、裝箱過程中人員所致。

3)翅片變形：原材料變形和堆放過高。

4)平面度不良：主要是原材料不合格，及后工序的加工導致局部傷痕或拋光及拉絲導致塌角所致。

5)毛刺：下料鋸片鈍化和冷卻用的乳化液不暢通或沒有乳化液。

6)螺孔偏位：孔打偏和鉆頭不垂直，及多軸機鉆頭易偏擺。

7)尺寸不符：產品未放到位就踩下鉆孔開關，及氣壓不穩(wěn)定，氣缸未鎖緊，會導致孔偏或剖割手法不一致，易出現(xiàn)偏位（剖過多及未到位）及多軸機鉆頭易偏擺。

8)鋁屑：銑葉片時葉片殘留卡死在葉片中，導致切削液無法把葉片殘留沖洗干凈；及原有絲錐攻牙時向下排鋁屑，粘附的鋁屑位于鋁板下部不易排出。

9)腐蝕：在銑削過程中，銑削液有腐蝕性，易造成散熱面腐蝕。

上述質量問題頻繁出現(xiàn)，說明產品質量控制的全過程還缺相應的防呆措施、教育措施、檢驗標準不明確等管理和技術問題，應該切實作出相應的整改，使產品質量能做到管過程，保結果。

3   制定方案措施

1)倒角問題改善：較之前多軸鉆用時間久了會出現(xiàn)偏擺，我們對鉆M3底孔、M3孔倒角工序，制作了專門的固定板，對鉆頭和絲錐進行固定，確保鉆頭不偏擺；并用研磨過的平板來調整鉆頭，使鉆頭高度相等。鉆孔及攻牙的同時，用手頂住產品，確保產品不移位，如2圖所示。

圖2 加工調整圖

2)劃傷改善優(yōu)化工藝均采用銑面處理，不再采用拋光處理，有效解決原材料傷痕問題及過程大攻牙及表面倒角處的工序造成的傷痕問題。

3)翅片變形改善：對進料檢驗嚴格把關，同步要求規(guī)定堆放高度，防止堆放過高導致產品變品變形。

4)平面度不良改善：前期工藝為拉絲及整個面拋光的方式，容易存在塌角隱患：由原來的整個面進行拋光處理，改為一頭45 mm模塊安裝區(qū)域不拋光處理，并安裝加墊桿，防止模塊安裝區(qū)拋到，規(guī)定3.8孔朝上，防止多拋現(xiàn)象，避免模塊安裝區(qū)拋塌導致平面度不符。

圖3 拋光工藝更改

5)毛刺處理：規(guī)定在下料工序每天點檢項目中增加對鋸片狀態(tài)的點檢，如發(fā)現(xiàn)磨損，則及時更換及每2 h吹1次傳輸管，確保暢通，同步要求下料工序員工下完料后，要自檢產品表面有無乳化液。

6)螺孔偏位：調鉆頭或換鉆時，要測定垂直度，檢驗項目中增加鉆孔的垂直度檢驗和加裝固定板，對鉆頭進行固定，不易偏擺。

7)尺寸不符：采用感應器，只有產品放到位才會接觸到感應器。若感應器接通，會命令鉆頭自動執(zhí)行鉆孔動作，鎖緊氣缸由1個改為2個，鎖緊后產品不會輕易移動。同步對銑削工藝進行改進，采用銑面工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)剖割工藝。

8)鋁屑異常：加工工具從根本上杜絕對上排鋁屑的螺旋絲錐，攻牙后絲錐退出時相當于第2次刮出鋁屑，從刀具上進行改善且效果明顯（圖4），進一步換大管徑潤滑液管，更換大功率加壓泵，使?jié)櫥狠敵鰰r不僅用于潤滑絲錐，同時產生的沖擊力對鋁屑也起到良好的沖刷作用（圖5），有利于降低鋁屑的附著情況；同步制定清理計劃，定期對銑刀面進行清理清潔，從而保證在加工過程中從根本上杜絕。

圖4 刀具改善

圖5 增加大功率加壓泵

9)增加工作臺并加裝氣槍，同步安排輔助工序專人負責對攻牙后產品進行氣吹清理并擦拭（圖6），從而降低腐蝕效果提高散熱面的可靠性；

圖6 增加工作臺并加裝氣槍

4   結語

散熱器在日常的使用中并不能像其它核心功率電子元器件一樣得到很高的重視，但往往異常的出現(xiàn)都是隱秘性的、長期性的和關鍵性的。特別是目前的散熱器件趨于小型化，多作用化，對可靠性的要求就越來越高，不僅考慮散熱器件的使用性，也要考慮實際生產、安裝、維修等情況，需有針對性地進行實驗驗證，從而提高物料的可靠性。物料的可靠性不僅要對內部結構進行分析研究，更要擴散思維，對散熱器粗糙度、鍍膜等研究，多方面入手就能找到突破點，從而全面提升散熱器在不同外界因素影響下工作的可靠性。 

參考文獻：

[1] 丁杰.翅柱式IGBT水冷散熱器的熱仿真與實驗[J].電源學報,2015(4):70-76.

[2] 李曉敏.散熱器熱量傳遞特性的研究[J].真空科學與技術學報,2018(1):71-74.

作者簡介：趙宇翔，男，助理工程師，主要研究方向：電子元器件失效分析。

（本文來源于《電子產品世界》雜志社2020年12月期）