電子模塊硬質陽極氧化鋁合金散熱板的絕緣性能應用研究

文雯 趙亮 郭建平

摘要：鋁合金比重小，比強度高，抗腐蝕性能好，作為輕質金屬結構材料在電氣工程、汽車、建筑、機械、航空及宇航工業、輕工業都有廣泛用途。本文針對電子模塊硬質陽極氧化鋁合金散熱板的絕緣性能進行了研究，搭建了試驗平臺，開展試驗，驗證電子模塊硬質陽極氧化鋁合金散熱板絕緣性能的有效性。

關鍵詞：電子模塊;鋁合金散熱板;硬質陽極氧化;絕緣性

1引言

中國民用航空器鋁合金結構件及零部件的凈質量占航空器總凈質量的75%以上，它們大量采用傳統的鋁合金制造[1]。鋁合金因導熱性能好，經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，同時起到增加結構強度的作用。

陽極氧化是使鋁合金在電解液中，通電后，發生氧化反應，生成Al2O3層。硬質陽極氧化是一種提高鋁合金耐蝕性的表面處理技術。硬質陽極氧化膜層的表層硬度較低，鋁合金進行硬質陽極氧化處理后，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，零件的疲勞強度有所降低，但因其具有良好的耐磨性和絕緣性，是電子設備結構件設計中常用的表面處理。硬質陽極氧化鋁合金散熱板的絕緣性能在電子模塊設計中的有效應用，是提升電子設備可靠性的重要措施。

2試驗對象

2.1電子設備

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。電子模塊安裝時插入電子設備機箱導槽內，用鎖緊組件固定，其中鎖緊組件、印制板與鉚釘（或螺栓）直接與機箱殼接觸，電子模塊安裝示意見下圖。

2.2電子模塊

根據GJB4057-2000《軍用電子設備印制電路板設計》要求 23頁中表8，導線電氣間距可以用作散熱板為導體時與焊盤的電氣間距要求。試驗件電子模塊焊盤與散熱板的最小設計間距為0.3mm，耐受電壓100V。

根據GB/T16935.1-2008《低壓系統內設備的絕緣配合》標準，使100V電壓產生空氣放電，兩個導體之間的距離需小于0.003mm。試驗件電子模塊元器件管腳與散熱板間距不小于0.3mm，大于100V電壓產生空氣放電的距離。

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

進行印制板與散熱板組件的絕緣電阻測試，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直流兆歐表進行測量。使用的測量儀器、工具如下：

a） 直流兆歐表（500V，500MΩ）;

b） 鋁制平板（2個，300×300）。

用兩個鋁制平板將測試工件夾緊，使測試工件的兩測試面（散熱板面和印制板面）分別與兩鋁制平板充分接觸，兆歐表的兩測試端分別與兩鋁制平板導通。以每分鐘120轉的速度搖動兆歐表的手柄，即可從兆歐表標度盤上進行讀數。所讀數值即為被測試工件的散熱板表面與印制板焊盤間的絕緣電阻值。

3試驗驗證

3.1試驗1

在電子設備通電前，測試絕緣性能。使用搖表進行絕緣性能測試，使數字地和機殼之間產生100V左右的直流電壓。

試驗后，電子模塊上電正常啟動運行程序。

3.2試驗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壁搭接。

使用搖表進行絕緣性能測試，使數字地和機殼之間產生100V左右的直流電壓。試驗后，電子模塊上電不能正常啟動運行程序。

對解焊后的芯片進行失效分析，管腳附近存在明顯的擊穿燒毀痕跡，如下圖所示。

經查詢手冊，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力燒毀。

由于已經在電子模塊監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壁搭接，電子模塊安裝在機箱中時，散熱板與機殼導通。使用100V兆歐表在數字地和機殼之間進行絕緣性檢測時，芯片管腳引入了100V異常高電壓導致擊穿燒毀。

4結論

鋁合金散熱板采用硬質陽極氧化表面處理時，與電子電路搭接時其絕緣性能不能直接滿足電子電路的使用要求，硬質陽極氧化鋁合金散熱板設計時也需避開印制板焊盤區域。

參考文獻

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

作者簡介：文雯（1985-），女，工程師，主要從事機載、彈載計算機結構設計工作。