文雯 趙亮 郭建平

摘要：鋁合金比重小，比強(qiáng)度高，抗腐蝕性能好，作為輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料在電氣工程、汽車、建筑、機(jī)械、航空及宇航工業(yè)、輕工業(yè)都有廣泛用途。本文針對(duì)電子模塊硬質(zhì)陽極氧化鋁合金散熱板的絕緣性能進(jìn)行了研究，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，開展試驗(yàn)，驗(yàn)證電子模塊硬質(zhì)陽極氧化鋁合金散熱板絕緣性能的有效性。

關(guān)鍵詞：電子模塊;鋁合金散熱板;硬質(zhì)陽極氧化;絕緣性

1引言

中國民用航空器鋁合金結(jié)構(gòu)件及零部件的凈質(zhì)量占航空器總凈質(zhì)量的75%以上，它們大量采用傳統(tǒng)的鋁合金制造[1]。鋁合金因?qū)嵝阅芎?，?jīng)常被用于制作電子模塊的散熱板，可有效提升電子模塊的散熱能力，同時(shí)起到增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。

陽極氧化是使鋁合金在電解液中，通電后，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成Al2O3層。硬質(zhì)陽極氧化是一種提高鋁合金耐蝕性的表面處理技術(shù)。硬質(zhì)陽極氧化膜層的表層硬度較低，鋁合金進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化處理后，表面為灰色、暗灰色至黑色或黃褐色，零件表面粗糙度一般增大1～2級(jí)，零件的疲勞強(qiáng)度有所降低，但因其具有良好的耐磨性和絕緣性，是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中常用的表面處理。硬質(zhì)陽極氧化鋁合金散熱板的絕緣性能在電子模塊設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用，是提升電子設(shè)備可靠性的重要措施。

2試驗(yàn)對(duì)象

2.1電子設(shè)備

電子模塊由印制板、散熱板、元器件、鎖緊組件等組成，其中散熱板用于印制板上元器件的散熱及加固，鎖緊組件安裝于散熱板上，采用用鉚釘（或螺栓）貫穿散熱板和印制板固定在電子模塊上。電子模塊安裝時(shí)插入電子設(shè)備機(jī)箱導(dǎo)槽內(nèi)，用鎖緊組件固定，其中鎖緊組件、印制板與鉚釘（或螺栓）直接與機(jī)箱殼接觸，電子模塊安裝示意見下圖。

2.2電子模塊

根據(jù)GJB4057-2000《軍用電子設(shè)備印制電路板設(shè)計(jì)》要求 23頁中表8，導(dǎo)線電氣間距可以用作散熱板為導(dǎo)體時(shí)與焊盤的電氣間距要求。試驗(yàn)件電子模塊焊盤與散熱板的最小設(shè)計(jì)間距為0.3mm，耐受電壓100V。

根據(jù)GB/T16935.1-2008《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合》標(biāo)準(zhǔn)，使100V電壓產(chǎn)生空氣放電，兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離需小于0.003mm。試驗(yàn)件電子模塊元器件管腳與散熱板間距不小于0.3mm，大于100V電壓產(chǎn)生空氣放電的距離。

試驗(yàn)件散熱板采用鋁合金6061-T651制作，并進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化處理，膜層厚度在40-60um之間。根據(jù)GB/T19822-2005《鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極氧化膜規(guī)范》，陽極氧化膜的擊穿電壓按GB/T875-1988《鋁及鋁合金陽極氧化應(yīng)用擊穿電位測(cè)定法檢驗(yàn)絕緣性》描述的方法進(jìn)行測(cè)定，散熱板的擊穿電壓大于100V。

進(jìn)行印制板與散熱板組件的絕緣電阻測(cè)試，確保散熱板與印制板焊盤之間的絕緣電阻大于100MΩ。絕緣電阻使用500V直流兆歐表進(jìn)行測(cè)量。使用的測(cè)量?jī)x器、工具如下：

a） 直流兆歐表（500V，500MΩ）;

b） 鋁制平板（2個(gè)，300×300）。

用兩個(gè)鋁制平板將測(cè)試工件夾緊，使測(cè)試工件的兩測(cè)試面（散熱板面和印制板面）分別與兩鋁制平板充分接觸，兆歐表的兩測(cè)試端分別與兩鋁制平板導(dǎo)通。以每分鐘120轉(zhuǎn)的速度搖動(dòng)兆歐表的手柄，即可從兆歐表標(biāo)度盤上進(jìn)行讀數(shù)。所讀數(shù)值即為被測(cè)試工件的散熱板表面與印制板焊盤間的絕緣電阻值。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)1

在電子設(shè)備通電前，測(cè)試絕緣性能。使用搖表進(jìn)行絕緣性能測(cè)試，使數(shù)字地和機(jī)殼之間產(chǎn)生100V左右的直流電壓。

試驗(yàn)后，電子模塊上電正常啟動(dòng)運(yùn)行程序。

3.2試驗(yàn)2

采用手工焊接引入焊料，使印制板某芯片焊盤和散熱板孔內(nèi)壁搭接。

使用搖表進(jìn)行絕緣性能測(cè)試，使數(shù)字地和機(jī)殼之間產(chǎn)生100V左右的直流電壓。試驗(yàn)后，電子模塊上電不能正常啟動(dòng)運(yùn)行程序。

對(duì)解焊后的芯片進(jìn)行失效分析，管腳附近存在明顯的擊穿燒毀痕跡，如下圖所示。

經(jīng)查詢手冊(cè)，該芯片正常工作電源電壓范圍為+4.5V～+5.5V，極限電源電壓范圍為-2V～+7V。如果芯片電源電壓超出了極限電源電壓范圍，有可能造成管腳過電應(yīng)力燒毀。

由于已經(jīng)在電子模塊監(jiān)控芯片的焊盤與散熱板之間引入焊料，使其焊盤和散熱板孔內(nèi)壁搭接，電子模塊安裝在機(jī)箱中時(shí)，散熱板與機(jī)殼導(dǎo)通。使用100V兆歐表在數(shù)字地和機(jī)殼之間進(jìn)行絕緣性檢測(cè)時(shí)，芯片管腳引入了100V異常高電壓導(dǎo)致?lián)舸龤А?/p>

4結(jié)論

鋁合金散熱板采用硬質(zhì)陽極氧化表面處理時(shí)，與電子電路搭接時(shí)其絕緣性能不能直接滿足電子電路的使用要求，硬質(zhì)陽極氧化鋁合金散熱板設(shè)計(jì)時(shí)也需避開印制板焊盤區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

[1]王國軍，王祝堂等。鋁合金在中國民用航空器上的應(yīng)用[J].輕合金加工技術(shù)，2017年11期：29-33

作者簡(jiǎn)介：文雯（1985-），女，工程師，主要從事機(jī)載、彈載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。