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          蜂鳴器抗耐熱性失效研究與應(yīng)用

          作者:陳明軒,張秀鳳,項(xiàng)永金 時(shí)間:2019-08-12 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

            陳明軒,張秀鳳,項(xiàng)永金(格力電器(合肥)有限公司,安徽?合肥?230088)

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201908/403617.htm

            摘?要:空調(diào)主板或顯示板上在實(shí)際應(yīng)用過程反饋蜂鳴器發(fā)聲不良、工作失效問題突出,且大部分與蜂鳴器耐熱有關(guān)導(dǎo)致,為蜂鳴器耐熱性能低,通過對(duì)大量失效蜂鳴器分析及設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究,發(fā)現(xiàn)蜂鳴器設(shè)計(jì)存在缺陷以及的選型存在問題,該缺陷主要集中在蜂鳴器塑殼兩個(gè)部分造成,主要質(zhì)量投訴問題為引腳與蜂鳴片接觸不良產(chǎn)生聲音嘶啞、無聲音、導(dǎo)致引腳下沉與蜂鳴片接觸開路,通過重新設(shè)計(jì)蜂鳴器底部塑殼結(jié)構(gòu)和的改善有效解決蜂鳴器耐熱性低問題。

            關(guān)鍵詞:;結(jié)構(gòu);引腳材質(zhì);塑殼熔化

            0 引言

            蜂鳴器—顧名思義, 它是一種能發(fā)出像蜜蜂一樣喻叫聲響,當(dāng)然聲音比蜜蜂叫聲響得多的電子器件。由于它結(jié)構(gòu)簡單,體積小,耗電少,性能穩(wěn)定,且能發(fā)出清脆悅耳的聲音,在家用行業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。

            目前, 空調(diào)主板使用的蜂鳴器幾乎都采用壓電陶瓷片。它是用鉆鐵酸鉛材料沖壓成圓片,進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)、涂銀層等工藝處理,即具有壓電效應(yīng)。所謂壓電效應(yīng)是指壓電陶瓷片在受力作用后, 其厚度上發(fā)生機(jī)械變形, 導(dǎo)致其表面上出現(xiàn)電荷或在其電極上產(chǎn)生電位差。陶瓷蜂鳴器主要是由壓電陶瓷片即發(fā)生單元、金屬片、電極、金屬層、共振箱、外翠等構(gòu)成, 如圖1所示。

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            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合而成, 當(dāng)把它們固定在一個(gè)腔體內(nèi), 就形成壓電陶瓷蜂鳴器, 即蜂鳴器。

            1 工作原理

            蜂鳴器是利用壓電效應(yīng)工作的, 當(dāng)一外加電壓作用于壓電元件的兩個(gè)電極間時(shí), 由于壓電效應(yīng), 使陶瓷體產(chǎn)生機(jī)械形變效應(yīng), 形變的形狀與外加電壓有關(guān)。如果加上交變信號(hào)一般的蜂鳴器有一個(gè)直流變交流的電路,當(dāng)陶瓷蜂鳴器體上加上與壓電片的極化方向相同的電壓時(shí), 則極化強(qiáng)度增強(qiáng),陶瓷片就沿徑向伸長。反之, 當(dāng)外加電壓方向與陶瓷片極化方向相反時(shí), 極化強(qiáng)度減弱, 腳瓷片就沿徑向收縮。即形成所謂的“電致伸縮”現(xiàn)象。由于粘膠在陶瓷片上的金屬片既不擴(kuò)張也不收縮。當(dāng)陶瓷片產(chǎn)生“電致伸縮”現(xiàn)象時(shí), 整個(gè)發(fā)音元件就會(huì)出現(xiàn)上下彎曲, 即使陶瓷片的徑向伸縮變?yōu)閺澢駝?dòng)。當(dāng)陶瓷片產(chǎn)生時(shí)大時(shí)小, 時(shí)上時(shí)下的振動(dòng), 并激勵(lì)著周圍的空氣發(fā)出相應(yīng)的聲波, 當(dāng)聲波與共振箱體產(chǎn)生共振時(shí), 即可聽到較大的響聲了。

            2 事件背景

            壓電式蜂鳴器是一種電聲轉(zhuǎn)換器件,將壓電材料粘貼在金屬片上,當(dāng)壓電材料和金屬片兩端施加上一個(gè)電壓后,因?yàn)閴弘娦?yīng),蜂鳴片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形而發(fā)出聲響;其諧振頻率較高,一般為2 000 Hz~4 000 Hz,而與蜂鳴片接觸的引腳不管是圓形還是扁形,末端都是與蜂鳴片接觸的,蜂鳴器受波峰焊高溫影響底部塑殼出現(xiàn)熔化,引腳會(huì)存在向下沉的現(xiàn)象,由于蜂鳴片是已經(jīng)固定在蜂鳴器內(nèi)部的,當(dāng)引腳下沉后就會(huì)出現(xiàn)與蜂鳴片接觸不良或開路現(xiàn)象,造成聲音小或無聲音現(xiàn)象,問題急需進(jìn)行分析研究解決。

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            3 壓電式蜂鳴器耐熱性低塑殼熔化的失效原因及失效機(jī)理分析

            (1)壓電式蜂鳴器底部直接與PCB板接觸,整個(gè)面完全貼合,在生產(chǎn)線錫爐的溫度為270±5℃,過波峰焊時(shí),錫爐的熱量會(huì)聚積在蜂鳴器引腳插裝的PCB板孔內(nèi),由于塑殼底部緊貼板面孔內(nèi)的熱量無法散發(fā),蜂鳴器塑料底部凸臺(tái)上沒有氣流通道,凸臺(tái)與主板沒有間隙,波峰焊焊接過程中產(chǎn)生的熱氣流沒有排放通道,只能聚焦于焊點(diǎn)周圍;紫銅材質(zhì)導(dǎo)熱性好,針腳受熱后,溫度直達(dá)塑殼,致使塑殼出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。

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            蜂鳴器塑殼熔化與引腳材質(zhì)同樣有關(guān),經(jīng)過測(cè)試,引腳的材質(zhì)為紫銅,而紫銅在一般的引腳材質(zhì)中導(dǎo)熱性相對(duì)較高,導(dǎo)熱系數(shù)為386.4 W/(m·k),通過對(duì)各種銅類的導(dǎo)熱性對(duì)比,發(fā)現(xiàn)紫銅的導(dǎo)熱性最高,因此在過波峰焊時(shí),錫爐的溫度很快可以通過引腳傳遞到塑殼,而行業(yè)內(nèi)塑殼為PBT材質(zhì),PBT的材質(zhì)熔點(diǎn)為225℃~235℃,低于錫爐270±5℃,因此引腳的導(dǎo)熱性能同樣是塑殼熔化因素之一。

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            4 壓電式蜂鳴器耐熱性低塑殼熔化解決方案

            (1)關(guān)于蜂鳴器引腳插裝孔的熱量散發(fā)不出去問題,通過將蜂鳴器塑殼底部開槽進(jìn)行解決,底部開槽不影響性能,不影響裝配,在過波峰焊時(shí),熱量通過底部的開槽散發(fā)出去,防止了底部溫度的聚積。

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            (2)引腳材質(zhì)由紫銅改為磷青銅,引腳的導(dǎo)熱性降低7.7倍,錫爐的溫度不會(huì)很快被傳到塑殼,且引腳過錫爐的時(shí)間約為3.5 s~5 s,理論上完全可以解決塑殼受熱熔化問題。

            改變凸臺(tái)結(jié)構(gòu)和針腳材質(zhì),將塑殼底部凸臺(tái)由平面更改為通槽(以引腳為中心并向兩個(gè)方向延伸),具體結(jié)構(gòu)更改點(diǎn)前后變化如圖6和7。波峰焊接過程中熱氣能夠從兩個(gè)方向快速的給排出,降低塑殼在高熱量環(huán)境中熔化風(fēng)險(xiǎn);在不改變蜂鳴器原有性能的情況下,將針腳材質(zhì)由導(dǎo)熱性好的紫銅更改為不易發(fā)熱的磷銅,規(guī)避高溫快速的傳遞給塑殼導(dǎo)致塑殼熔化問題的發(fā)生。

            具體更改點(diǎn):確定更改后的凸臺(tái)結(jié)構(gòu),以引腳為中心并向兩個(gè)方向延伸開槽,槽口深度控制在0.3cm~0.35cm,槽寬控制在0.7cm~0.71 cm。更改后的開槽凸臺(tái)結(jié)構(gòu)建立了熱量流通渠道,使熱量能夠從設(shè)計(jì)的軌道快速的流出,降低塑殼及凸臺(tái)高溫環(huán)境中熔化風(fēng)險(xiǎn)。

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            5 整改效果評(píng)估及應(yīng)用效果驗(yàn)證

            通過對(duì)蜂鳴器塑殼底部增加開槽以及引腳材質(zhì)由紫銅改為磷青銅,進(jìn)行引腳高溫加錫焊接實(shí)驗(yàn)對(duì)比,如表2。通過表2的實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出,引腳材質(zhì)改為磷青銅的蜂鳴器明顯比紫銅材質(zhì)好,導(dǎo)熱性慢,塑殼不容易熔化,整改有效。

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            6 壓電式蜂鳴器蜂鳴器抗耐熱性失效整改總結(jié)及意義

            壓電式蜂鳴器內(nèi)部蜂鳴片接觸的引腳不管是圓形還是扁形,末端都是通過波峰焊錫爐焊接存在主板上的,那么引腳一邊與高溫錫爐接觸一邊是塑殼,在后續(xù)的失效整改中,導(dǎo)熱性的因素需要完全考慮,以及器件插裝孔內(nèi)熱量的散發(fā)方式,通過引腳材質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的整改,能夠有效解決塑殼耐熱不足熔化問題,為今后的類似器件失效整改提供經(jīng)驗(yàn)。

            致謝:感謝格力電器給我的平臺(tái)讓我長期在電子生產(chǎn)過程中積累了寶貴的工作經(jīng)驗(yàn),讓我結(jié)合實(shí)際對(duì)學(xué)習(xí)到的知識(shí)用于實(shí)際改善中,感謝出版社給予的機(jī)會(huì)將自己所積累的經(jīng)驗(yàn)發(fā)表,謝謝!

            參考文獻(xiàn)

            [1] 于天江.陶瓷蜂鳴器工作原理[J].摩托車,1996-09-15

            [2] 陳漢寧.一種新型蜂鳴器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電元件.2013-12-25

            作者簡介:

            陳明軒(1989-),男,助理工程師,主要研究方向:電子元器件失效分析。

            本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第65頁,歡迎您寫論文時(shí)引用,并注明出處



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