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高頻變壓器引腳電化學腐蝕失效分析與可靠性研究

作者:項永金,王少輝,趙宇翔 (格力電器(合肥)有限公司,合肥 230088)時間:2021-07-13來源:電子產品世界收藏


本文引用地址:http://www.hifi-yinxiang.com/article/202107/426856.htm

摘要:為了適應電器設備的發展,開關電源電路憑借良好的性能得到了廣泛應用,高頻變壓器作為開關電源電路的重要組成器件,決定了開關電源的質量。高頻變壓器在實際應用中會出現故障失效,導致開關電源電路不能正常通電工作。本文通過分析高頻變壓器的失效機理,通過對高頻變壓器引腳防護,更改,以及涂抹處理進行整改,使其防護更加可靠,杜絕了斷線故障,提高產品的應用

作者簡介:項永金(1986—),男,中級工程師,主要研究方向:電子元器件失效分析及研究。

0   引言

隨著科技的發展,電器設備使用越來越廣泛,功能越來越強大,體積也越來越小,對電源模塊的要求不斷增加。開關電源具有效率高、成本低及體積小的特點,在電氣設備中獲得了廣泛應用。在開關電源設計中,磁性元件的性能非常重要,而高頻變壓器恰恰是離線式變換開關電源中重要的磁性元件。高頻變壓器引腳腐蝕失效,導致電器電源部分不能正常通電,因此研究其失效機理非常重要。

1   事件背景

在實際應用中,使用高頻變壓器的家用空調外機控制器故障失效突出,其主要故障為引腳腐蝕,分析失效數據,實際使用失效時間并不集中,失效均集中在

2   失效原因及失效機理分析

經過分析發現,高頻變壓器長期在潮濕環境下工作,受外界環境腐蝕物質以及高頻變壓器本身制造差異影響,在初級端高電壓作用下,引腳及銅線產生化學反應,造成初級端引腳及銅線腐蝕生銹,嚴重的導致斷線。高頻變壓器引腳腐蝕如圖1 所示,引腳與銅線焊接結合處嚴重腐蝕發綠。

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圖1 失效樣品外觀圖

2.1 引腳腐蝕失效模式分析

其失效模式主要存在以下兩種:①引腳腐蝕;②銅線彎折,錫與銅的交界處銅引線腐蝕。

2.1.1 引腳腐蝕

如圖2 所示,高頻變壓器引腳鍍層下部腐蝕嚴重,從銹的顏色看,應屬于內部鐵引腳發生了腐蝕現象。而腐蝕部位以上的引腳鍍層完好,這是由于高頻變壓器焊接到PCB 板上后,上部引腳鍍層被大量焊錫覆蓋,其鍍層保存完好。

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圖2 失效樣品引腳外觀圖

實際中發現,不同廠家、不同批次的高頻變壓器均出現引腳氧化腐蝕生銹現象,導致輸入與輸出電壓不穩定,對后邊的電路器件造成損傷。

2.1.2 銅線彎折處,錫與銅的交界位置銅引線腐蝕

高頻變壓器引腳無腐蝕,但漆包線引線彎折處鍍錫層被腐蝕破壞、漆包線絕緣皮破損,銅線被腐蝕并生成銅綠(即銅銹),導致銅線斷裂,腐蝕嚴重的導致銅線絕緣漆內部無銅存在,如圖3 所示。

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圖3 引腳腐蝕斷造成斷線圖

2.2 失效品成分測試

2.2.1 PCB板殘留物EDX元素測試

針對售后失效樣件PCB 上的藍色殘留物進行EDX元素測試分析,如圖4 所示,測試結果顯示PCB 板不同位置殘留物測試結果中均顯示有硫(S)元素。

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圖4 EDX元素測試

2.2.2 電鏡能譜掃描

對銅引線腐蝕的高頻變壓器進行電鏡能譜掃描測試,如圖5 所示,對腐蝕處EDS 元素掃描結果可知,有微量的異常元素硫(S)存在。

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圖5 銅引線腐蝕處電鏡能譜掃描

2.2.3 骨架元素測試

骨架材料為電木,如圖6 所示,經電鏡測試該材料中不含有硫等異常元素,可排除骨架材料對漆包線的腐蝕作用。

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圖6 骨架材料電鏡能譜掃描

2.2.4 絕緣漆成分測試

通過對比測試漆包線絕緣漆,如圖7 所示,各廠家漆包線絕緣漆成分基本一致,且不同時期差異不大。

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圖7 骨架材料電鏡能譜掃描

2.2.5 絕緣漆厚度測試

對各廠家物料不同生產日期制品絕緣漆厚度進行測試,如表1 所示,各廠家漆包線絕緣漆厚度不同時期存在小量波動,B 廠家絕緣漆厚度波動稍大些,整體差異不大。

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2.3 根據現象及測試結果分析

EDX 對PCB 主板殘留物元素成分測試結果顯示有硫元素存在,而硫元素在一般性腐蝕過程中會產生一定程度的影響。

硫元素在自然界中以硫化物或單質的形式存在。如果空氣含有的SO2 成分較高,在潮濕環境中SO2 會與H2O 發生化學反應形成亞硫酸H2SO3,經過氧化作用亞硫酸H2SO3 會變成硫酸H2SO4,酸雨的形成過程就是這樣。經查閱相關資料,目前我國華中地區已成為全國酸雨污染范圍最大,強度最高的酸雨污染區,西南地區、華東沿海地區次之。這次復核到高頻變壓器引腳腐蝕現象的主要地區為華中地區。結合高頻變壓器引腳腐蝕的圖片,分析引腳腐蝕現象為鐵鍍錫引腳在酸性電解液(潮濕狀態)中構成原電池電化學腐蝕引起。另外,加上使用過程中的高電壓通電狀態,腐蝕速度會加快。

2.3.1 鐵引腳鍍錫結構的電化學分析

對于鐵引腳鍍錫這種結構,從電化學角度看,理論上鍍錫層并不能夠有效保護鐵基材不受腐蝕。Fe/Fe2+的標準電極電位為-0.440 V,Sn/Sn2+ 的標準電極電位為-0.136 V,即Fe 的電極電位比Sn的低,構成原電池后,鐵會優先被腐蝕。所以當鍍錫層質量不高(有孔隙或裂紋)時,鐵引腳比較容易發生腐蝕生銹現象。在引腳鍍μm層表面質量不高或鍍層部分地方偏薄情況下,引腳處在酸性環境中一定時間后內部鐵基材暴露出,Fe 與Sn 在酸性潮濕環境中構成電化學腐蝕,Fe 的電極電位比Sn的低,構成原電池后,鐵優先發生腐蝕,出現高頻變壓器引腳腐蝕現象。

2.3.2 引線彎折處銅線的腐蝕

銅與錫在硫的酸性化境中發生電化學腐蝕,銅線彎折處的特點是鍍錫層薄,處于錫與銅的交界處。從對腐蝕處EDS元素掃描結果來看,發現有微量的硫異常元素。硫的酸性化合物(如H2SO3 或H2SO4)在潮濕環境下將引線彎折處較薄的鍍錫層腐蝕破壞(Sn 可與H2SO4反應生成可溶性的Sn4+ 鹽),使錫層表面產生孔隙或裂紋(裂紋的產生也有可能是由于錫膏在快速冷卻后收縮,在彎折處產生應力導致開裂),錫層被破壞后,濕氣會接觸到內部的裸銅線(銅線表面的絕緣漆已被高溫錫膏熔掉)。此時,錫(Sn)與銅(Cu)在潮濕環境下構成原電池,發生化學腐蝕反應。Sn/Sn2+ 的標準電極電位為-0.136 V,Cu/Cu2+ 的標準電極電位為+0.337 V,即Sn 的電極電位比Cu 的低,構成原電池后,Sn 會優先被腐蝕。Sn 被腐蝕掉時,被氧化成可溶性Sn4+ 鹽,造成鍍錫層被破壞的程度大大增加。露出來的裸銅在潮濕環境中發生腐蝕產生銅綠:Cu 在CO2、O2、H2O 存在的條件下發生緩慢氧化,Cu+CO2+O2+H2O—Cu(OH)2CO3,即銅綠(銹),即銅被腐蝕掉,從而造成銅線斷裂。

3   實驗對比分析

對高頻變壓器引腳進行耐腐蝕性實驗,得出以下結論:

1)經稀硫酸處理的高頻變壓器引腳腐蝕嚴重。硫單質、助焊劑對高頻變壓器引腳的腐蝕影響較小;

2)經稀硫酸、硫單質、助焊劑、漆膜破損處理的高頻變壓器銅引線彎折處銅線未發生明顯腐蝕現象;

3)經鹽霧試驗驗證,高頻變壓器引腳、漆包線都出現不同程度的腐蝕現象,隨著時間的延長腐蝕程度越發嚴重。

3.1 潮態實驗

條件:取高頻變壓器5 個樣品,在銅線彎折處滴加少許稀硫酸,將錫與銅的交界處絕緣漆破壞,對比樣品的潮態試驗(前360 h 條件為:溫度40 ℃,濕度93%,360 h 之后條件:溫度60 ℃、濕度95%)。潮態1 266 h 實驗結果如下:

1)未經任何特殊處理的樣品,未發生明顯變化;

2)經助焊劑后樣品,如圖8 所示,引腳極輕微腐蝕;

3)漆膜破損后樣品,如圖8 所示,引腳極輕微腐蝕;

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圖8 引腳極輕微腐蝕

4)經少許硫處理后樣品,引腳有輕微腐蝕;

5)經稀硫酸處理后樣品,如圖9 所示,引腳腐蝕嚴重。

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圖9 引腳嚴重腐蝕

3.2 鹽霧實驗

條件:取高頻變壓器樣品6 個,焊接在使用的PCB上,然后按正常使用狀態放置在溫度(35±2)℃、Nacl 濃度5%、pH 值6.5 ~ 7.2 環境中,每隔24 h 將試樣在高倍顯微鏡下觀察1 次,記錄引腳和漆包線的變化情況。

鹽霧144 h 實驗結果:如圖10,漆包線已出現明顯腐蝕,表層漆膜出現脫落現象,在引腳與漆包線焊接位置冒出腐蝕產物。

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圖10 鹽霧試驗引腳腐蝕

4   影響高頻變壓器腐蝕的失效因素分析

4.1 應用電路高電壓影響

開關電源電路在電源中使用最為廣泛,以空調變頻電源為例,輸出電壓通常有15 V、12 V、5 V,功率13 ~ 15 W。如圖11 所示,高頻變壓器主要是對直流電壓進行降壓。腐蝕故障失效多集中在1、2 腳,電壓較高,在310 V 左右,當PFC 電路開啟后,線圈施加電壓更高,高電壓會加速線圈腐蝕的速度。

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圖11 高頻變壓器應用電路圖

4.2 應用環境與時間影響

失效數據發現,失效均在外機變頻空調控制器主板,內機并無失效,主要是外機裝在室外,使用環境較惡劣,溫濕度差別較大,主要是溫度、濕度較高,且水汽、灰塵等其他腐蝕性物質較多。由于受外機整機運行環境影響,腐蝕物質侵入會加快引腳腐蝕失效。統計失效數據,失效集中在使用2~5 a 生產機器,普遍使用時間比較長,腐蝕是一個逐漸的化學反應過程。

4.3 彎折處漆包線絕緣皮破損

彎折處是錫與銅的交界處,如圖12 所示,在焊接過程中,受高溫錫膏影響,交界處銅線表面絕緣漆也可能被熔掉,部分銅線暴露于環境中,使得銅與錫在潮濕環境中構成原電池化學腐蝕。

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圖12 彎折處錫與銅交界

4.3.1 銅引出線拉得較緊,銅線在彎折處受力較大。

如引線拉得較緊,銅線在彎折處受到骨架的作用力較大,長時間受力后,在腐蝕條件作用下會加速其斷裂。

4.3.2 彎折處銅線受高溫錫膏影響可能會發生咬銅現象

在浸錫過程中,高溫錫膏會將引腳漆包線上的絕緣漆熔掉外,內部銅線受高溫錫膏影響發生咬銅現象,使銅線直徑變小,銅線自身的抗拉能力下降,彎折處在骨架長期作用力下,銅線發生斷裂。

4.3.3 漆包線絕緣漆成分及厚度變化

漆包線絕緣漆成分及厚度發生明顯變化,引線耐的耐腐蝕性也會受到影響。

4.3.4 漆包線本身的耐腐蝕性能

在生產過程中,噴到引腳及引線上的凡立水、稀釋劑、助焊劑,或后期漆包線吸水受潮,其耐腐蝕性會受到影響。

5   失效解決方案

在高頻變壓器生產過程中,廠家通過引進全自動線圈焊接設備可解決人工焊接對引腳的損傷,在一定程度上降低對引腳鍍層的損傷,降低不良發生概率。另外,通過對引腳與銅線結合處處理,增加橫截面積,有助于提高

以上整改可以在一定程度上降低腐蝕發生概率。由于此應用中外機環境等其他特殊因素影響,不能完全杜絕高頻變壓器腐蝕故障的發生。為了有效整改,特制定以下三個整改方案,其中試驗驗證方案1 是最優防護方式,方案2 與方案3 次之。

5.1 方案1:涂抹

對高頻變壓器外漏漆包線部分涂抹處理,三防膠具有突出的“防潮”、“防鹽霧”、“絕緣”性能;在潮濕環境中其膜層仍不失其良好介電性能;有較強的耐氧化性和抗老化性。

5.2 方案2:涂油漆處理

對高頻變壓器外漏漆包線部分涂油漆處理,油漆具有良好的“絕緣”性能以及耐腐蝕性能,能在一定條件下固化成絕緣膜或絕緣整體。產品采用真空含浸,含浸到骨架擋板位置(二次焊錫時將骨架擋板上的絕緣油清除),擋板以下的針腳及產品用絕緣油覆蓋,可以增強產品的整體絕緣能力,改善產品針腳的腐蝕問題。

5.3 方案3:改變

將引腳使用的CP 線(鍍錫銅包鋼鍍鎳底,其基材為“鋼”)改為磷青銅材質,磷青銅具有良好的導電性能,比銅材質抗氧化性能更好。從電化學角度看,鍍錫引腳Cu/Cu2+ 的標準電極電位為+0.337 V,Sn/Sn2+ 的標準電極電位為-0.136 V,即Sn 的電極電位比Cu 的低,構成原電池后,Sn 為陽極,Cu 為陰極,Cu 會受到電化學保護,磷青銅材質引腳的耐腐蝕性會得到較大提高。各方案實驗對比,提供的涂三防漆樣品、涂油漆樣品、磷青銅材質引腳,對引線與鍍錫層處均做稀硫酸處理,在60 ℃,濕度95% 條件下做潮態試驗,288 h 后結果如下。

1)涂三防膠:如圖13 所示,只有引腳極個別點出現極輕微腐蝕;

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圖13 涂三防膠鹽霧試驗

2)涂油漆:如圖14 所示,引腳有輕微腐蝕;

3)磷青銅材質引腳:如圖13 所示,引腳有輕微腐蝕。

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圖14 涂油漆、磷青銅材質鹽霧試驗

綜合對比3 個方案,涂三防膠及涂油漆,控制器生產過程中不好操作,由高頻變壓器生產廠家在生產過程中對高頻變壓器外漏漆包線部分涂三防漆保護,由于工藝不良容易造成引腳殘留,導致實際生產組裝中控制器出現引腳上錫不良,廠家生產過程管控難度較大。現改變方案,并通過結合點處理,可以杜絕腐蝕故障發生,整改相對簡單,應用效果顯著。

6   失效整改總結及意義

隨著時代的發展,電源越來越小型化,開關電源電路可靠性問題愈發嚴峻。作為開關電源電路的重要器件,高頻變壓器易出現引腳腐蝕失效。分析失效原因發現,產品制造工藝不良以及使用環境、應用電路等多個因素均會導致出現故障。本文對高頻變壓器引腳腐蝕的失效機理、失效因素等多方面進行分析,通過改變引腳材質,對引腳進行加錫處理以及涂抹三防膠,顯著提高了高頻變壓器引腳抗腐蝕的能力,售后整改效果顯著。

參考文獻:

[1] 郗亮.高頻變壓器發展的研究[J].通信電源技術,2018(3):237-238.

[2] 段富良,王梅.銅基上化學鍍錫工藝分析[J].云南化工,2017(6):76-78.

(本文來源于《電子產品世界》雜志2021年6月期)



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