蜂鳴器抗耐熱性失效研究與應用

　　陳明軒，張秀鳳，項永金（格力電器（合肥）有限公司，安徽?合肥?230088）

　　摘?要：空調(diào)主板或顯示板上在實際應用過程反饋蜂鳴器發(fā)聲不良、工作失效問題突出，且大部分與蜂鳴器耐熱有關(guān)導致塑殼熔化，塑殼熔化為蜂鳴器耐熱性能低，通過對大量失效蜂鳴器分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計進行深入研究，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷以及引腳材質(zhì)的選型存在問題，該缺陷主要集中在蜂鳴器塑殼結(jié)構(gòu)和引腳材質(zhì)兩個部分造成，主要質(zhì)量投訴問題為引腳與蜂鳴片接觸不良產(chǎn)生聲音嘶啞、無聲音、塑殼熔化導致引腳下沉與蜂鳴片接觸開路，通過重新設(shè)計蜂鳴器底部塑殼結(jié)構(gòu)和引腳材質(zhì)的改善有效解決蜂鳴器耐熱性低問題。

　　關(guān)鍵詞：壓電式蜂鳴器 ；結(jié)構(gòu)；引腳材質(zhì)；塑殼熔化

　　0 引言

　　蜂鳴器—顧名思義, 它是一種能發(fā)出像蜜蜂一樣喻叫聲響，當然聲音比蜜蜂叫聲響得多的電子器件。由于它結(jié)構(gòu)簡單,體積小,耗電少,性能穩(wěn)定,且能發(fā)出清脆悅耳的聲音,在家用行業(yè)系統(tǒng)中應用非常普遍。

　　目前, 空調(diào)主板使用的蜂鳴器幾乎都采用壓電陶瓷片。它是用鉆鐵酸鉛材料沖壓成圓片，進行高溫燒結(jié)、涂銀層等工藝處理,即具有壓電效應。所謂壓電效應是指壓電陶瓷片在受力作用后, 其厚度上發(fā)生機械變形, 導致其表面上出現(xiàn)電荷或在其電極上產(chǎn)生電位差。陶瓷蜂鳴器主要是由壓電陶瓷片即發(fā)生單元、金屬片、電極、金屬層、共振箱、外翠等構(gòu)成, 如圖1所示。

　　空調(diào)主板上使用的多為單面結(jié)構(gòu)的發(fā)聲單元, 即用一片圓形壓電元件和金屬片等合而成, 當把它們固定在一個腔體內(nèi), 就形成壓電陶瓷蜂鳴器, 即蜂鳴器。

　　1 工作原理

　　蜂鳴器是利用壓電效應工作的, 當一外加電壓作用于壓電元件的兩個電極間時, 由于壓電效應, 使陶瓷體產(chǎn)生機械形變效應, 形變的形狀與外加電壓有關(guān)。如果加上交變信號一般的蜂鳴器有一個直流變交流的電路,當陶瓷蜂鳴器體上加上與壓電片的極化方向相同的電壓時, 則極化強度增強,陶瓷片就沿徑向伸長。反之, 當外加電壓方向與陶瓷片極化方向相反時, 極化強度減弱, 腳瓷片就沿徑向收縮。即形成所謂的“電致伸縮”現(xiàn)象。由于粘膠在陶瓷片上的金屬片既不擴張也不收縮。當陶瓷片產(chǎn)生“電致伸縮”現(xiàn)象時, 整個發(fā)音元件就會出現(xiàn)上下彎曲, 即使陶瓷片的徑向伸縮變?yōu)閺澢駝?。當陶瓷片產(chǎn)生時大時小, 時上時下的振動, 并激勵著周圍的空氣發(fā)出相應的聲波, 當聲波與共振箱體產(chǎn)生共振時, 即可聽到較大的響聲了。

　　2 事件背景

　　壓電式蜂鳴器是一種電聲轉(zhuǎn)換器件，將壓電材料粘貼在金屬片上，當壓電材料和金屬片兩端施加上一個電壓后，因為壓電效應，蜂鳴片就會產(chǎn)生機械變形而發(fā)出聲響；其諧振頻率較高，一般為2 000 Hz～4 000 Hz，而與蜂鳴片接觸的引腳不管是圓形還是扁形，末端都是與蜂鳴片接觸的，蜂鳴器受波峰焊高溫影響底部塑殼出現(xiàn)熔化，引腳會存在向下沉的現(xiàn)象，由于蜂鳴片是已經(jīng)固定在蜂鳴器內(nèi)部的，當引腳下沉后就會出現(xiàn)與蜂鳴片接觸不良或開路現(xiàn)象，造成聲音小或無聲音現(xiàn)象，問題急需進行分析研究解決。

　　3 壓電式蜂鳴器耐熱性低塑殼熔化的失效原因及失效機理分析

　　(1)壓電式蜂鳴器底部直接與PCB板接觸，整個面完全貼合，在生產(chǎn)線錫爐的溫度為270±5℃，過波峰焊時，錫爐的熱量會聚積在蜂鳴器引腳插裝的PCB板孔內(nèi)，由于塑殼底部緊貼板面孔內(nèi)的熱量無法散發(fā)，蜂鳴器塑料底部凸臺上沒有氣流通道，凸臺與主板沒有間隙，波峰焊焊接過程中產(chǎn)生的熱氣流沒有排放通道，只能聚焦于焊點周圍；紫銅材質(zhì)導熱性好，針腳受熱后，溫度直達塑殼，致使塑殼出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。

　　蜂鳴器塑殼熔化與引腳材質(zhì)同樣有關(guān)，經(jīng)過測試，引腳的材質(zhì)為紫銅，而紫銅在一般的引腳材質(zhì)中導熱性相對較高，導熱系數(shù)為386.4 W/(m·k)，通過對各種銅類的導熱性對比，發(fā)現(xiàn)紫銅的導熱性最高，因此在過波峰焊時，錫爐的溫度很快可以通過引腳傳遞到塑殼，而行業(yè)內(nèi)塑殼為PBT材質(zhì)，PBT的材質(zhì)熔點為225℃~235℃，低于錫爐270±5℃，因此引腳的導熱性能同樣是塑殼熔化因素之一。

　　4 壓電式蜂鳴器耐熱性低塑殼熔化解決方案

　　(1)關(guān)于蜂鳴器引腳插裝孔的熱量散發(fā)不出去問題，通過將蜂鳴器塑殼底部開槽進行解決，底部開槽不影響性能，不影響裝配，在過波峰焊時，熱量通過底部的開槽散發(fā)出去，防止了底部溫度的聚積。

　　(2)引腳材質(zhì)由紫銅改為磷青銅，引腳的導熱性降低7.7倍，錫爐的溫度不會很快被傳到塑殼，且引腳過錫爐的時間約為3.5 s~5 s，理論上完全可以解決塑殼受熱熔化問題。

　　改變凸臺結(jié)構(gòu)和針腳材質(zhì)，將塑殼底部凸臺由平面更改為通槽（以引腳為中心并向兩個方向延伸），具體結(jié)構(gòu)更改點前后變化如圖6和7。波峰焊接過程中熱氣能夠從兩個方向快速的給排出，降低塑殼在高熱量環(huán)境中熔化風險；在不改變蜂鳴器原有性能的情況下，將針腳材質(zhì)由導熱性好的紫銅更改為不易發(fā)熱的磷銅，規(guī)避高溫快速的傳遞給塑殼導致塑殼熔化問題的發(fā)生。

　　具體更改點：確定更改后的凸臺結(jié)構(gòu)，以引腳為中心并向兩個方向延伸開槽，槽口深度控制在0.3cm~0.35cm，槽寬控制在0.7cm~0.71 cm。更改后的開槽凸臺結(jié)構(gòu)建立了熱量流通渠道，使熱量能夠從設(shè)計的軌道快速的流出，降低塑殼及凸臺高溫環(huán)境中熔化風險。

　　5 整改效果評估及應用效果驗證

　　通過對蜂鳴器塑殼底部增加開槽以及引腳材質(zhì)由紫銅改為磷青銅，進行引腳高溫加錫焊接實驗對比，如表2。通過表2的實驗對比可以看出，引腳材質(zhì)改為磷青銅的蜂鳴器明顯比紫銅材質(zhì)好，導熱性慢，塑殼不容易熔化，整改有效。

　　6 壓電式蜂鳴器蜂鳴器抗耐熱性失效整改總結(jié)及意義

　　壓電式蜂鳴器內(nèi)部蜂鳴片接觸的引腳不管是圓形還是扁形，末端都是通過波峰焊錫爐焊接存在主板上的，那么引腳一邊與高溫錫爐接觸一邊是塑殼，在后續(xù)的失效整改中，導熱性的因素需要完全考慮，以及器件插裝孔內(nèi)熱量的散發(fā)方式，通過引腳材質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的整改，能夠有效解決塑殼耐熱不足熔化問題，為今后的類似器件失效整改提供經(jīng)驗。

　　致謝：感謝格力電器給我的平臺讓我長期在電子生產(chǎn)過程中積累了寶貴的工作經(jīng)驗，讓我結(jié)合實際對學習到的知識用于實際改善中，感謝出版社給予的機會將自己所積累的經(jīng)驗發(fā)表，謝謝！

　　參考文獻

　　[1] 于天江.陶瓷蜂鳴器工作原理[J].摩托車,1996-09-15

　　[2] 陳漢寧.一種新型蜂鳴器的設(shè)計[J].機電元件.2013-12-25

　　作者簡介：

　　陳明軒(1989-)，男，助理工程師，主要研究方向：電子元器件失效分析。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第65頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處