散热器结构可靠性分析与研究

0   引言

散热器是控制器及业内控制器组件内核心器件，其性能工作状态直接影响空调的调试及使用，当散热器表面出现毛刺、粗糙度异常等性能问题时会使机组停止工作，显示器上会显示故障代码，这将直接影响用户对产品运行状态的错误判断从而影响产品质量，因此研究散热器设计及工作可靠性，提高消费者对品牌的满意度具有十分重要的意义。

1   事件背景

散热器是用导热较好、成本较低的铝材制成，散热器上有很多叶片。通过把散热器装在空调的发热模块上，空调运转时，能够较好地把空调运转过程中的热通过散热模块传输给散热器的安装面，热量通过叶片散发出去，从而使得空调运转过程产生的热能得到发散，维持正常运转。因散热器主要制作工艺是是由铝材厂开成形模具，按照图纸及文件要求将原材料经下料切割、钻孔、攻牙、拉丝、铣面、铣槽、氧化处理等一系列加工工序，因加工工序较多及清铣过程中极易造成铣面等质量异常发生，进一步造成功率控制器件失效。生产过程和售后大比例控制器失效会严重影响空调整体产品质量及用户实际体验效果，问题急需进行分析研究解决。流程图如图1所示。

1.来料切割	2.打磨去毛刺	3.转孔
4.铣平面	5.倒内角	6.倒外角（6-c0.5）
7.攻M3牙（5个M3孔）	8.刮侧边毛刺	9.刮凸台毛刺
10.装箱	11.镀氧化膜	12.全检平面度

图1 流程图简介

2   失效原因及失效机理分析

在复核空调顶控制器过程中，通过对功率器件失效故障的排查，发现均为散热不均匀所导致，产线测试也多次出现功率器件失效异常，具体失效机理分析如下。

1)倒角偏大或偏小、不圆的主要原因是：多轴倒角及钻孔设备无固定板，导致容易偏摆，在钻孔时会出现孔位偏移，倒角时倒角钻头偏摆的情况时有发生。

2)划伤问题是散热器最容易忽略的问题：主要由于原材料不良、氧化厂氧化过程中导致，及搬运、装箱过程中人员所致。

3)翅片变形：原材料变形和堆放过高。

4)平面度不良：主要是原材料不合格，及后工序的加工导致局部伤痕或抛光及拉丝导致塌角所致。

5)毛刺：下料锯片钝化和冷却用的乳化液不畅通或没有乳化液。

6)螺孔偏位：孔打偏和钻头不垂直，及多轴机钻头易偏摆。

7)尺寸不符：产品未放到位就踩下钻孔开关，及气压不稳定，气缸未锁紧，会导致孔偏或剖割手法不一致，易出现偏位（剖过多及未到位）及多轴机钻头易偏摆。

8)铝屑：铣叶片时叶片残留卡死在叶片中，导致切削液无法把叶片残留冲洗干净；及原有丝锥攻牙时向下排铝屑，粘附的铝屑位于铝板下部不易排出。

9)腐蚀：在铣削过程中，铣削液有腐蚀性，易造成散热面腐蚀。

上述质量问题频繁出现，说明产品质量控制的全过程还缺相应的防呆措施、教育措施、检验标准不明确等管理和技术问题，应该切实作出相应的整改，使产品质量能做到管过程，保结果。

3   制定方案措施

1)倒角问题改善：较之前多轴钻用时间久了会出现偏摆，我们对钻M3底孔、M3孔倒角工序，制作了专门的固定板，对钻头和丝锥进行固定，确保钻头不偏摆；并用研磨过的平板来调整钻头，使钻头高度相等。钻孔及攻牙的同时，用手顶住产品，确保产品不移位，如2图所示。

图2 加工调整图

2)划伤改善优化工艺均采用铣面处理，不再采用抛光处理，有效解决原材料伤痕问题及过程大攻牙及表面倒角处的工序造成的伤痕问题。

3)翅片变形改善：对进料检验严格把关，同步要求规定堆放高度，防止堆放过高导致产品变品变形。

4)平面度不良改善：前期工艺为拉丝及整个面抛光的方式，容易存在塌角隐患：由原来的整个面进行抛光处理，改为一头45 mm模块安装区域不抛光处理，并安装加垫杆，防止模块安装区抛到，规定3.8孔朝上，防止多抛现象，避免模块安装区抛塌导致平面度不符。

图3 抛光工艺更改

5)毛刺处理：规定在下料工序每天点检项目中增加对锯片状态的点检，如发现磨损，则及时更换及每2 h吹1次传输管，确保畅通，同步要求下料工序员工下完料后，要自检产品表面有无乳化液。

6)螺孔偏位：调钻头或换钻时，要测定垂直度，检验项目中增加钻孔的垂直度检验和加装固定板，对钻头进行固定，不易偏摆。

7)尺寸不符：采用感应器，只有产品放到位才会接触到感应器。若感应器接通，会命令钻头自动执行钻孔动作，锁紧气缸由1个改为2个，锁紧后产品不会轻易移动。同步对铣削工艺进行改进，采用铣面工艺代替传统剖割工艺。

8)铝屑异常：加工工具从根本上杜绝对上排铝屑的螺旋丝锥，攻牙后丝锥退出时相当于第2次刮出铝屑，从刀具上进行改善且效果明显（图4），进一步换大管径润滑液管，更换大功率加压泵，使润滑液输出时不仅用于润滑丝锥，同时产生的冲击力对铝屑也起到良好的冲刷作用（图5），有利于降低铝屑的附着情况；同步制定清理计划，定期对铣刀面进行清理清洁，从而保证在加工过程中从根本上杜绝。

图4 刀具改善

图5 增加大功率加压泵

9)增加工作台并加装气枪，同步安排辅助工序专人负责对攻牙后产品进行气吹清理并擦拭（图6），从而降低腐蚀效果提高散热面的可靠性；

图6 增加工作台并加装气枪

4   结语

散热器在日常的使用中并不能像其它核心功率电子元器件一样得到很高的重视，但往往异常的出现都是隐秘性的、长期性的和关键性的。特别是目前的散热器件趋于小型化，多作用化，对可靠性的要求就越来越高，不仅考虑散热器件的使用性，也要考虑实际生产、安装、维修等情况，需有针对性地进行实验验证，从而提高物料的可靠性。物料的可靠性不仅要对内部结构进行分析研究，更要扩散思维，对散热器粗糙度、镀膜等研究，多方面入手就能找到突破点，从而全面提升散热器在不同外界因素影响下工作的可靠性。 

参考文献：

[1] 丁杰.翅柱式IGBT水冷散热器的热仿真与实验[J].电源学报,2015(4):70-76.

[2] 李晓敏.散热器热量传递特性的研究[J].真空科学与技术学报,2018(1):71-74.

作者简介：赵宇翔，男，助理工程师，主要研究方向：电子元器件失效分析。

（本文来源于《电子产品世界》杂志社2020年12月期）