电子模块硬质阳极氧化铝合金散热板的绝缘性能应用研究

文雯 赵亮 郭建平

摘要：铝合金比重小，比强度高，抗腐蚀性能好，作为轻质金属结构材料在电气工程、汽车、建筑、机械、航空及宇航工业、轻工业都有广泛用途。本文针对电子模块硬质阳极氧化铝合金散热板的绝缘性能进行了研究，搭建了试验平台，开展试验，验证电子模块硬质阳极氧化铝合金散热板绝缘性能的有效性。

关键词：电子模块;铝合金散热板;硬质阳极氧化;绝缘性

1引言

中国民用航空器铝合金结构件及零部件的净质量占航空器总净质量的75%以上，它们大量采用传统的铝合金制造[1]。铝合金因导热性能好，经常被用于制作电子模块的散热板，可有效提升电子模块的散热能力，同时起到增加结构强度的作用。

阳极氧化是使铝合金在电解液中，通电后，发生氧化反应，生成Al2O3层。硬质阳极氧化是一种提高铝合金耐蚀性的表面处理技术。硬质阳极氧化膜层的表层硬度较低，铝合金进行硬质阳极氧化处理后，表面为灰色、暗灰色至黑色或黄褐色，零件表面粗糙度一般增大1～2级，零件的疲劳强度有所降低，但因其具有良好的耐磨性和绝缘性，是电子设备结构件设计中常用的表面处理。硬质阳极氧化铝合金散热板的绝缘性能在电子模块设计中的有效应用，是提升电子设备可靠性的重要措施。

2试验对象

2.1电子设备

电子模块由印制板、散热板、元器件、锁紧组件等组成，其中散热板用于印制板上元器件的散热及加固，锁紧组件安装于散热板上，采用用铆钉（或螺栓）贯穿散热板和印制板固定在电子模块上。电子模块安装时插入电子设备机箱导槽内，用锁紧组件固定，其中锁紧组件、印制板与铆钉（或螺栓）直接与机箱壳接触，电子模块安装示意见下图。

2.2电子模块

根据GJB4057-2000《军用电子设备印制电路板设计》要求 23页中表8，导线电气间距可以用作散热板为导体时与焊盘的电气间距要求。试验件电子模块焊盘与散热板的最小设计间距为0.3mm，耐受电压100V。

根据GB/T16935.1-2008《低压系统内设备的绝缘配合》标准，使100V电压产生空气放电，两个导体之间的距离需小于0.003mm。试验件电子模块元器件管脚与散热板间距不小于0.3mm，大于100V电压产生空气放电的距离。

试验件散热板采用铝合金6061-T651制作，并进行硬质阳极氧化处理，膜层厚度在40-60um之間。根据GB/T19822-2005《铝及铝合金硬质阳极氧化膜规范》，阳极氧化膜的击穿电压按GB/T875-1988《铝及铝合金阳极氧化应用击穿电位测定法检验绝缘性》描述的方法进行测定，散热板的击穿电压大于100V。

进行印制板与散热板组件的绝缘电阻测试，确保散热板与印制板焊盘之间的绝缘电阻大于100MΩ。绝缘电阻使用500V直流兆欧表进行测量。使用的测量仪器、工具如下：

a） 直流兆欧表（500V，500MΩ）;

b） 铝制平板（2个，300×300）。

用两个铝制平板将测试工件夹紧，使测试工件的两测试面（散热板面和印制板面）分别与两铝制平板充分接触，兆欧表的两测试端分别与两铝制平板导通。以每分钟120转的速度摇动兆欧表的手柄，即可从兆欧表标度盘上进行读数。所读数值即为被测试工件的散热板表面与印制板焊盘间的绝缘电阻值。

3试验验证

3.1试验1

在电子设备通电前，测试绝缘性能。使用摇表进行绝缘性能测试，使数字地和机壳之间产生100V左右的直流电压。

试验后，电子模块上电正常启动运行程序。

3.2试验2

采用手工焊接引入焊料，使印制板某芯片焊盘和散热板孔内壁搭接。

使用摇表进行绝缘性能测试，使数字地和机壳之间产生100V左右的直流电压。试验后，电子模块上电不能正常启动运行程序。

对解焊后的芯片进行失效分析，管脚附近存在明显的击穿烧毁痕迹，如下图所示。

经查询手册，该芯片正常工作电源电压范围为+4.5V～+5.5V，极限电源电压范围为-2V～+7V。如果芯片电源电压超出了极限电源电压范围，有可能造成管脚过电应力烧毁。

由于已经在电子模块监控芯片的焊盘与散热板之间引入焊料，使其焊盘和散热板孔内壁搭接，电子模块安装在机箱中时，散热板与机壳导通。使用100V兆欧表在数字地和机壳之间进行绝缘性检测时，芯片管脚引入了100V异常高电压导致击穿烧毁。

4结论

铝合金散热板采用硬质阳极氧化表面处理时，与电子电路搭接时其绝缘性能不能直接满足电子电路的使用要求，硬质阳极氧化铝合金散热板设计时也需避开印制板焊盘区域。

参考文献

[1]王国军，王祝堂等。铝合金在中国民用航空器上的应用[J].轻合金加工技术，2017年11期：29-33

作者简介：文雯（1985-），女，工程师，主要从事机载、弹载计算机结构设计工作。