高頻變壓器引腳電化學(xué)腐蝕失效分析與可靠性研究

摘要：為了適應電器設備的發(fā)展，開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源電路的重要組成器件，決定了開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量。高頻變壓器在實(shí)際應用中會(huì )出現引腳腐蝕故障失效，導致開(kāi)關(guān)電源電路不能正常通電工作。本文通過(guò)分析高頻變壓器引腳腐蝕的失效機理，通過(guò)對高頻變壓器引腳加錫防護，更改引腳材質(zhì)，以及涂抹三防膠處理進(jìn)行整改，使其防護更加可靠，杜絕了引腳腐蝕斷線(xiàn)故障，提高產(chǎn)品的應用可靠性。

作者簡(jiǎn)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可靠性研究。

0   引言

隨著(zhù)科技的發(fā)展，電器設備使用越來(lái)越廣泛，功能越來(lái)越強大，體積也越來(lái)越小，對電源模塊的要求不斷增加。開(kāi)關(guān)電源具有效率高、成本低及體積小的特點(diǎn)，在電氣設備中獲得了廣泛應用。在開(kāi)關(guān)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(xiàn)式變換開(kāi)關(guān)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(shí)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(shí)際使用失效時(shí)間并不集中，失效均集中在初級線(xiàn)圈。

2   失效原因及失效機理分析

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現，高頻變壓器長(cháng)期在潮濕環(huán)境下工作，受外界環(huán)境腐蝕物質(zhì)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(xiàn)產(chǎn)生化學(xué)反應，造成初級端引腳及銅線(xiàn)腐蝕生銹，嚴重的導致斷線(xiàn)。高頻變壓器引腳腐蝕如圖1 所示，引腳與銅線(xiàn)焊接結合處嚴重腐蝕發(fā)綠。

圖1 失效樣品外觀(guān)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(xiàn)彎折，錫與銅的交界處銅引線(xiàn)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(fā)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。

圖2 失效樣品引腳外觀(guān)圖

實(shí)際中發(fā)現，不同廠(chǎng)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(xiàn)彎折處，錫與銅的交界位置銅引線(xiàn)腐蝕

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

圖3 引腳腐蝕斷造成斷線(xiàn)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(jìn)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。

圖4 EDX元素測試

2.2.2 電鏡能譜掃描

對銅引線(xiàn)腐蝕的高頻變壓器進(jìn)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。

圖5 銅引線(xiàn)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(jīng)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(xiàn)的腐蝕作用。

圖6 骨架材料電鏡能譜掃描

2.2.4 絕緣漆成分測試

通過(guò)對比測試漆包線(xiàn)絕緣漆，如圖7 所示，各廠(chǎng)家漆包線(xiàn)絕緣漆成分基本一致，且不同時(shí)期差異不大。

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(chǎng)家物料不同生產(chǎn)日期制品絕緣漆厚度進(jìn)行測試，如表1 所示，各廠(chǎng)家漆包線(xiàn)絕緣漆厚度不同時(shí)期存在小量波動(dòng)，B 廠(chǎng)家絕緣漆厚度波動(dòng)稍大些，整體差異不大。

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(guò)程中會(huì )產(chǎn)生一定程度的影響。

硫元素在自然界中以硫化物或單質(zhì)的形式存在。如果空氣含有的SO2 成分較高，在潮濕環(huán)境中SO2 會(huì )與H2O 發(fā)生化學(xué)反應形成亞硫酸H2SO3，經(jīng)過(guò)氧化作用亞硫酸H2SO3 會(huì )變成硫酸H2SO4，酸雨的形成過(guò)程就是這樣。經(jīng)查閱相關(guān)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(tài)）中構成原電池電化學(xué)腐蝕引起。另外，加上使用過(guò)程中的高電壓通電狀態(tài)，腐蝕速度會(huì )加快。

2.3.1 鐵引腳鍍錫結構的電化學(xué)分析

對于鐵引腳鍍錫這種結構，從電化學(xué)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(huì )優(yōu)先被腐蝕。所以當鍍錫層質(zhì)量不高（有孔隙或裂紋）時(shí)，鐵引腳比較容易發(fā)生腐蝕生銹現象。在引腳鍍μm層表面質(zhì)量不高或鍍層部分地方偏薄情況下，引腳處在酸性環(huán)境中一定時(shí)間后內部鐵基材暴露出，Fe 與Sn 在酸性潮濕環(huán)境中構成電化學(xué)腐蝕，Fe 的電極電位比Sn的低，構成原電池后，鐵優(yōu)先發(fā)生腐蝕，出現高頻變壓器引腳腐蝕現象。

2.3.2 引線(xiàn)彎折處銅線(xiàn)的腐蝕

銅與錫在硫的酸性化境中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，銅線(xiàn)彎折處的特點(diǎn)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(lái)看，發(fā)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(huán)境下將引線(xiàn)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(chǎn)生孔隙或裂紋（裂紋的產(chǎn)生也有可能是由于錫膏在快速冷卻后收縮，在彎折處產(chǎn)生應力導致開(kāi)裂），錫層被破壞后，濕氣會(huì )接觸到內部的裸銅線(xiàn)（銅線(xiàn)表面的絕緣漆已被高溫錫膏熔掉）。此時(shí)，錫（Sn）與銅（Cu）在潮濕環(huán)境下構成原電池，發(fā)生化學(xué)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(huì )優(yōu)先被腐蝕。Sn 被腐蝕掉時(shí)，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(lái)的裸銅在潮濕環(huán)境中發(fā)生腐蝕產(chǎn)生銅綠：Cu 在CO2、O2、H2O 存在的條件下發(fā)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(xiàn)斷裂。

3   實(shí)驗對比分析

對高頻變壓器引腳進(jìn)行耐腐蝕性實(shí)驗，得出以下結論：

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

2）經(jīng)稀硫酸、硫單質(zhì)、助焊劑、漆膜破損處理的高頻變壓器銅引線(xiàn)彎折處銅線(xiàn)未發(fā)生明顯腐蝕現象；

3）經(jīng)鹽霧試驗驗證，高頻變壓器引腳、漆包線(xiàn)都出現不同程度的腐蝕現象，隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)腐蝕程度越發(fā)嚴重。

3.1 潮態(tài)實(shí)驗

條件：取高頻變壓器5 個(gè)樣品，在銅線(xiàn)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(tài)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(tài)1 266 h 實(shí)驗結果如下：

1）未經(jīng)任何特殊處理的樣品，未發(fā)生明顯變化；

2）經(jīng)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；

圖8 引腳極輕微腐蝕

4）經(jīng)少許硫處理后樣品，引腳有輕微腐蝕；

5）經(jīng)稀硫酸處理后樣品，如圖9 所示，引腳腐蝕嚴重。

圖9 引腳嚴重腐蝕

3.2 鹽霧實(shí)驗

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

鹽霧144 h 實(shí)驗結果：如圖10，漆包線(xiàn)已出現明顯腐蝕，表層漆膜出現脫落現象，在引腳與漆包線(xiàn)焊接位置冒出腐蝕產(chǎn)物。

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(kāi)關(guān)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(jìn)行降壓。腐蝕故障失效多集中在初級線(xiàn)圈1、2 腳，電壓較高，在310 V 左右，當PFC 電路開(kāi)啟后，線(xiàn)圈施加電壓更高，高電壓會(huì )加速線(xiàn)圈腐蝕的速度。

圖11 高頻變壓器應用電路圖

4.2 應用環(huán)境與時(shí)間影響

失效數據發(fā)現，失效均在外機變頻空調控制器主板，內機并無(wú)失效，主要是外機裝在室外，使用環(huán)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(zhì)較多。由于受外機整機運行環(huán)境影響，腐蝕物質(zhì)侵入會(huì )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(chǎn)機器，普遍使用時(shí)間比較長(cháng)，腐蝕是一個(gè)逐漸的化學(xué)反應過(guò)程。

4.3 彎折處漆包線(xiàn)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(guò)程中，受高溫錫膏影響，交界處銅線(xiàn)表面絕緣漆也可能被熔掉，部分銅線(xiàn)暴露于環(huán)境中，使得銅與錫在潮濕環(huán)境中構成原電池化學(xué)腐蝕。

圖12 彎折處錫與銅交界

4.3.1 銅引出線(xiàn)拉得較緊，銅線(xiàn)在彎折處受力較大。

如引線(xiàn)拉得較緊，銅線(xiàn)在彎折處受到骨架的作用力較大，長(cháng)時(shí)間受力后，在腐蝕條件作用下會(huì )加速其斷裂。

4.3.2 彎折處銅線(xiàn)受高溫錫膏影響可能會(huì )發(fā)生咬銅現象

在浸錫過(guò)程中，高溫錫膏會(huì )將引腳漆包線(xiàn)上的絕緣漆熔掉外，內部銅線(xiàn)受高溫錫膏影響發(fā)生咬銅現象，使銅線(xiàn)直徑變小，銅線(xiàn)自身的抗拉能力下降，彎折處在骨架長(cháng)期作用力下，銅線(xiàn)發(fā)生斷裂。

4.3.3 漆包線(xiàn)絕緣漆成分及厚度變化

漆包線(xiàn)絕緣漆成分及厚度發(fā)生明顯變化，引線(xiàn)耐的耐腐蝕性也會(huì )受到影響。

4.3.4 漆包線(xiàn)本身的耐腐蝕性能

在生產(chǎn)過(guò)程中，噴到引腳及引線(xiàn)上的凡立水、稀釋劑、助焊劑，或后期漆包線(xiàn)吸水受潮，其耐腐蝕性會(huì )受到影響。

5   失效解決方案

在高頻變壓器生產(chǎn)過(guò)程中，廠(chǎng)家通過(guò)引進(jìn)全自動(dòng)線(xiàn)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(fā)生概率。另外，通過(guò)對引腳與銅線(xiàn)結合處加錫處理，增加橫截面積，有助于提高可靠性。

以上整改可以在一定程度上降低腐蝕發(fā)生概率。由于此應用中外機環(huán)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(fā)生。為了有效整改，特制定以下三個(gè)整改方案，其中試驗驗證方案1 是最優(yōu)防護方式，方案2 與方案3 次之。

5.1 方案1：涂抹三防膠

對高頻變壓器外漏漆包線(xiàn)部分涂抹三防膠處理，三防膠具有突出的“防潮”、“防鹽霧”、“絕緣”性能；在潮濕環(huán)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(xiàn)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(chǎn)品采用真空含浸，含浸到骨架擋板位置（二次焊錫時(shí)將骨架擋板上的絕緣油清除），擋板以下的針腳及產(chǎn)品用絕緣油覆蓋，可以增強產(chǎn)品的整體絕緣能力，改善產(chǎn)品針腳的腐蝕問(wèn)題。

5.3 方案3：改變引腳材質(zhì)

將引腳使用的CP 線(xiàn)（鍍錫銅包鋼鍍鎳底，其基材為“鋼”）改為磷青銅材質(zhì)，磷青銅具有良好的導電性能，比銅材質(zhì)抗氧化性能更好。從電化學(xué)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(yáng)極，Cu 為陰極，Cu 會(huì )受到電化學(xué)保護，磷青銅材質(zhì)引腳的耐腐蝕性會(huì )得到較大提高。各方案實(shí)驗對比，提供的涂三防漆樣品、涂油漆樣品、磷青銅材質(zhì)引腳，對引線(xiàn)與鍍錫層處均做稀硫酸處理，在60 ℃，濕度95% 條件下做潮態(tài)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(gè)別點(diǎn)出現極輕微腐蝕；

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(zhì)引腳：如圖13 所示，引腳有輕微腐蝕。

圖14 涂油漆、磷青銅材質(zhì)鹽霧試驗

綜合對比3 個(gè)方案，涂三防膠及涂油漆，控制器生產(chǎn)過(guò)程中不好操作，由高頻變壓器生產(chǎn)廠(chǎng)家在生產(chǎn)過(guò)程中對高頻變壓器外漏漆包線(xiàn)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(shí)際生產(chǎn)組裝中控制器出現引腳上錫不良，廠(chǎng)家生產(chǎn)過(guò)程管控難度較大?，F改變引腳材質(zhì)方案，并通過(guò)結合點(diǎn)加錫處理，可以杜絕腐蝕故障發(fā)生，整改相對簡(jiǎn)單，應用效果顯著(zhù)。

6   失效整改總結及意義

隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，電源越來(lái)越小型化，開(kāi)關(guān)電源電路可靠性問(wèn)題愈發(fā)嚴峻。作為開(kāi)關(guān)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(fā)現，產(chǎn)品制造工藝不良以及使用環(huán)境、應用電路等多個(gè)因素均會(huì )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(jìn)行分析，通過(guò)改變引腳材質(zhì)，對引腳進(jìn)行加錫處理以及涂抹三防膠，顯著(zhù)提高了高頻變壓器引腳抗腐蝕的能力，售后整改效果顯著(zhù)。

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

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）