散熱器結(jié)構(gòu)可靠性分析與研究

0   引言

散熱器是控制器及業(yè)內(nèi)控制器組件內(nèi)核心器件，其性能工作狀態(tài)直接影響空調(diào)的調(diào)試及使用，當(dāng)散熱器表面出現(xiàn)毛刺、粗糙度異常等性能問(wèn)題時(shí)會(huì)使機(jī)組停止工作，顯示器上會(huì)顯示故障代碼，這將直接影響用戶對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)的錯(cuò)誤判斷從而影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此研究散熱器設(shè)計(jì)及工作可靠性，提高消費(fèi)者對(duì)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(dǎo)熱較好、成本較低的鋁材制成，散熱器上有很多葉片。通過(guò)把散熱器裝在空調(diào)的發(fā)熱模塊上，空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能夠較好地把空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的熱通過(guò)散熱模塊傳輸給散熱器的安裝面，熱量通過(guò)葉片散發(fā)出去，從而使得空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生的熱能得到發(fā)散，維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因散熱器主要制作工藝是是由鋁材廠開(kāi)成形模具，按照?qǐng)D紙及文件要求將原材料經(jīng)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(guò)程中極易造成銑面等質(zhì)量異常發(fā)生，進(jìn)一步造成功率控制器件失效。生產(chǎn)過(guò)程和售后大比例控制器失效會(huì)嚴(yán)重影響空調(diào)整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實(shí)際體驗(yàn)效果，問(wèn)題急需進(jìn)行分析研究解決。流程圖如圖1所示。

1.來(lái)料切割	2.打磨去毛刺	3.轉(zhuǎn)孔
4.銑平面	5.倒內(nèi)角	6.倒外角（6-c0.5）
7.攻M3牙（5個(gè)M3孔）	8.刮側(cè)邊毛刺	9.刮凸臺(tái)毛刺
10.裝箱	11.鍍氧化膜	12.全檢平面度

圖1 流程圖簡(jiǎn)介

2   失效原因及失效機(jī)理分析

在復(fù)核空調(diào)頂控制器過(guò)程中，通過(guò)對(duì)功率器件失效故障的排查，發(fā)現(xiàn)均為散熱不均勻所導(dǎo)致，產(chǎn)線測(cè)試也多次出現(xiàn)功率器件失效異常，具體失效機(jī)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(shè)備無(wú)固定板，導(dǎo)致容易偏擺，在鉆孔時(shí)會(huì)出現(xiàn)孔位偏移，倒角時(shí)倒角鉆頭偏擺的情況時(shí)有發(fā)生。

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

3)翅片變形：原材料變形和堆放過(guò)高。

4)平面度不良：主要是原材料不合格，及后工序的加工導(dǎo)致局部傷痕或拋光及拉絲導(dǎo)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(méi)有乳化液。

6)螺孔偏位：孔打偏和鉆頭不垂直，及多軸機(jī)鉆頭易偏擺。

7)尺寸不符：產(chǎn)品未放到位就踩下鉆孔開(kāi)關(guān)，及氣壓不穩(wěn)定，氣缸未鎖緊，會(huì)導(dǎo)致孔偏或剖割手法不一致，易出現(xiàn)偏位（剖過(guò)多及未到位）及多軸機(jī)鉆頭易偏擺。

8)鋁屑：銑葉片時(shí)葉片殘留卡死在葉片中，導(dǎo)致切削液無(wú)法把葉片殘留沖洗干凈；及原有絲錐攻牙時(shí)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(guò)程中，銑削液有腐蝕性，易造成散熱面腐蝕。

上述質(zhì)量問(wèn)題頻繁出現(xiàn)，說(shuō)明產(chǎn)品質(zhì)量控制的全過(guò)程還缺相應(yīng)的防呆措施、教育措施、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不明確等管理和技術(shù)問(wèn)題，應(yīng)該切實(shí)作出相應(yīng)的整改，使產(chǎn)品質(zhì)量能做到管過(guò)程，保結(jié)果。

3   制定方案措施

1)倒角問(wèn)題改善：較之前多軸鉆用時(shí)間久了會(huì)出現(xiàn)偏擺，我們對(duì)鉆M3底孔、M3孔倒角工序，制作了專(zhuān)門(mén)的固定板，對(duì)鉆頭和絲錐進(jìn)行固定，確保鉆頭不偏擺；并用研磨過(guò)的平板來(lái)調(diào)整鉆頭，使鉆頭高度相等。鉆孔及攻牙的同時(shí)，用手頂住產(chǎn)品，確保產(chǎn)品不移位，如2圖所示。

圖2 加工調(diào)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(wèn)題及過(guò)程大攻牙及表面倒角處的工序造成的傷痕問(wèn)題。

3)翅片變形改善：對(duì)進(jìn)料檢驗(yàn)嚴(yán)格把關(guān)，同步要求規(guī)定堆放高度，防止堆放過(guò)高導(dǎo)致產(chǎn)品變品變形。

4)平面度不良改善：前期工藝為拉絲及整個(gè)面拋光的方式，容易存在塌角隱患：由原來(lái)的整個(gè)面進(jìn)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(dǎo)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(diǎn)檢項(xiàng)目中增加對(duì)鋸片狀態(tài)的點(diǎn)檢，如發(fā)現(xiàn)磨損，則及時(shí)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(chǎn)品表面有無(wú)乳化液。

6)螺孔偏位：調(diào)鉆頭或換鉆時(shí)，要測(cè)定垂直度，檢驗(yàn)項(xiàng)目中增加鉆孔的垂直度檢驗(yàn)和加裝固定板，對(duì)鉆頭進(jìn)行固定，不易偏擺。

7)尺寸不符：采用感應(yīng)器，只有產(chǎn)品放到位才會(huì)接觸到感應(yīng)器。若感應(yīng)器接通，會(huì)命令鉆頭自動(dòng)執(zhí)行鉆孔動(dòng)作，鎖緊氣缸由1個(gè)改為2個(gè)，鎖緊后產(chǎn)品不會(huì)輕易移動(dòng)。同步對(duì)銑削工藝進(jìn)行改進(jìn)，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(duì)上排鋁屑的螺旋絲錐，攻牙后絲錐退出時(shí)相當(dāng)于第2次刮出鋁屑，從刀具上進(jìn)行改善且效果明顯（圖4），進(jìn)一步換大管徑潤(rùn)滑液管，更換大功率加壓泵，使?jié)櫥狠敵鰰r(shí)不僅用于潤(rùn)滑絲錐，同時(shí)產(chǎn)生的沖擊力對(duì)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(jì)劃，定期對(duì)銑刀面進(jìn)行清理清潔，從而保證在加工過(guò)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(tái)并加裝氣槍?zhuān)桨才泡o助工序?qū)Ｈ素?fù)責(zé)對(duì)攻牙后產(chǎn)品進(jìn)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(tái)并加裝氣槍

4   結(jié)語(yǔ)

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(zhǎng)期性的和關(guān)鍵性的。特別是目前的散熱器件趨于小型化，多作用化，對(duì)可靠性的要求就越來(lái)越高，不僅考慮散熱器件的使用性，也要考慮實(shí)際生產(chǎn)、安裝、維修等情況，需有針對(duì)性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而提高物料的可靠性。物料的可靠性不僅要對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，更要擴(kuò)散思維，對(duì)散熱器粗糙度、鍍膜等研究，多方面入手就能找到突破點(diǎn)，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(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年12月期）