高频变压器引脚的腐蚀原因

欧毓迎,陆正华

(珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070)

开关电源中的高频变压器由引脚、漆包线和骨架组成，它是能量储存和传输的重要部件，其失效将直接影响开关电源的可靠性，而引脚腐蚀是售后高频变压器失效的主要原因之一[1]。随着电力电子技术的发展和环境的变化, 高频变压器的使用环境变得多样化和复杂化，其中潮湿、酸性及盐雾环境对高频变压器的耐腐蚀性能提出了更高的要求[2-5]。电子元器件的引脚腐蚀问题长期存在，国内外学者对此进行了较多的研究，但各电子器件腐蚀的诱因十分复杂，其引脚腐蚀失效现象仍时有发生[6-9]。特别是在合肥、郑州等华中地区，高频变压器引脚腐蚀，售后故障频现。本工作对售后高频变压器的引脚腐蚀现象进行了调查统计，总结了其失效模式，并在不同环境中对不同引脚材料的高频变压器进行腐蚀模拟试验，分析了其发生腐蚀的原因，旨在优化引脚材料与选型，提高高频变压器引脚的耐腐蚀性能。

1 理化检验与结果

1.1 腐蚀形貌与产物

通过对高频变压器腐蚀失效现象的调查与统计发现，失效的模式主要有两种，分别是引脚本体腐蚀和外露漆包铜线腐蚀，其中以引脚本体腐蚀为主，比例占80%以上，如图1所示。

采用S-4300N型扫面电镜附带的能谱仪测引脚处腐蚀产物及高频变压器骨架材料的化学成分，结果如表1所示。 结果表明：与正常引脚相比，引脚处腐蚀产物中存在微量的S元素；而高频变压器的骨架材料是一种主要由C、H、O三种元素组成的高分子材料。这说明高频变压器自身不含S元素，腐蚀位置出现的S元素应属于外界元素，与引脚腐蚀有直接的关系[3,5]。

表1 引脚处腐蚀产物和高频变压器骨架的 能谱分析结果(质量分数)Tab. 1 EDS analysis results of corrosion products on pins and framework of high frequency transformer (mass fraction) %

S元素在自然界中以硫化物或单质的形式存在。当空气SO2成分含量较高时，与空气中的H2O发生化学反应生成H2SO3，H2SO3与空气中的O2发生氧化反应形成H2SO4，H2SO4最终随雨滴降落形成酸雨。经查相关资料，目前我国华中地区已成为污染范围最大、中心强度最高的酸雨污染区，西南地区、华东沿海地区次之，而高频变压器引脚腐蚀故障频现的地区主要为合肥、郑州等华中地区。因此，初步确定高频变压器引脚腐蚀与酸性环境或盐性环境有直接的关系。以下试验分别验证了弱酸环境和中性盐环境对引脚腐蚀的影响。

(a) 引脚 (b) 外露漆包铜线图1 引脚和外露漆包铜线的宏观腐蚀形貌Fig. 1 Macrographs of corroded pins (a) and exposed enamelled copper wire (b)

1.2 腐蚀模拟试验

取全新的高频变压器作为试样，人为破坏其引脚上的镀锡层以模拟故障件，对故障件与引脚镀层完好的高频变压器样品进行酸雾试验和盐雾试验。酸雾和盐雾分别为2%(质量分数)H2SO4弱酸性溶液和5%(质量分数)NaCl溶液，试验温度为40 ℃,试验时间分别为48、96、192 h。试验后观察高频变压器引脚的腐蚀形貌。

1.2.1 酸雾试验

引脚镀层破损的高频变压器在酸雾环境中放置一段时间后，其引脚的表面形貌变化如图2所示。由图2可见，在酸雾环境中放置48 h后，镀层破损处附近出现明显锈斑；随着放置时间延长，锈斑逐渐从破损处向其他方向延伸，这是因为镀层破损处引脚发生腐蚀，腐蚀产物结构疏松，更容易吸附水分、氧气以及酸性物质，导致腐蚀速率加快，锈斑面积增大；放置192 h后，引脚表面已全部被锈斑覆盖，引脚彻底腐蚀失效。

引脚镀层完好的高频变压器在酸雾环境中放置一段时间后，漆包线与焊锡交界处先出现铜绿，随着放置时间延长，铜绿逐渐延伸到引脚端，导致引脚也出现腐蚀现象，最终完全腐蚀失效，如图3所示。这是因为在漆包线与焊锡交界处，漆包线表面的绝缘漆与焊锡接触，焊锡的高温导致绝缘漆出现局部收缩、融化，导致内部铜线裸露，在空气和酸性环境中，铜线发生腐蚀产生铜绿，当铜绿延伸到引脚表面时，直接影响引脚的焊接性能导致其失效。

1.2.2 盐雾试验

引脚镀层破损的高频变压器在盐雾环境中放置一段时间后，其引脚的表面形貌如图4所示。由图4可见，在盐雾环境中放置48 h后，镀层破损处附近同样出现明显锈斑；随着放置时间的延长，锈斑逐渐从破损处向其他方向延伸；当放置192 h后，引脚表面已全部被锈斑覆盖，引脚彻底腐蚀失效。

由图5可见,引脚镀层完好的高频变压器在盐雾环境中放置48 h后，漆包线与焊锡交界处的绝缘漆发生脱落，逐渐裸露出内部铜线，并产生少量的铜绿；当放置96 h后，裸露的铜线面积增大，腐蚀逐渐延伸，直至铜绿完全覆盖附近漆包线和引脚端，从而降低引脚的焊接性能,最终导致引脚失效。

(a) 48 h (b) 96 h (c) 192 h图2 在酸雾环境中腐蚀不同时间后镀层破损引脚的宏观腐蚀形貌Fig. 2 Macrographs of pins with damaged coating corroded in acid spraying environment for different periods of time

(a) 48 h (b) 96 h (c) 192 h图3 在酸雾环境中腐蚀不同时间后镀层完好引脚的宏观腐蚀形貌Fig. 3 Macrographs of pins with well coating corroded in acid spraying environment for different periods of time

(a) 48 h (b) 96 h (c) 192 h图4 在盐雾环境中腐蚀不同时间后镀层破损引脚的宏观腐蚀形貌Fig. 4 Macrographs of pins with damaged coating corroded in salt spraying environment for different periods of time

(a) 48 h (b) 96 h (c) 192 h图5 在盐雾环境中腐蚀不同时间后镀层完好引脚的宏观腐蚀形貌Fig. 5 Macrographs of pins with well coating corroded in salt spraying environment for different periods of time

2 腐蚀原因分析

从化学腐蚀角度分析，高频变压器的引脚材料为铁镀锡，当镀锡层有孔隙或裂纹时，在潮湿或酸性环境中，镀锡层破损处裸露的铁会发生化学腐蚀(生锈)，其反应如式(1)所示；同样的，漆包线的绝缘漆破损后，裸露的铜在水分、氧气及二氧化碳的环境中发生氧化生成Cu(OH)2CO3(铜绿)[10]，如式(2)所示。从电化学角度分析，Fe/Fe2+标准电极电位为-0.440 V，Sn/Sn2+标准电极电位为-0.136 V，当引脚镀层破损后，裸露的铁与镀层中的锡构成原电池，铁失去电子被腐蚀；Cu/Cu2+标准电极电位为+0.337 V，高于Sn/Sn2+标准电极电位，在漆包线与焊锡交界处，铜与锡在酸雾或盐雾环境中构成原电池，锡失去电子逐渐被溶解，而裸露的铜发生化学氧化[11]。

(1)

(2)

引脚镀层破损的原因有很多，如引脚浸锡不良导致镀层有缺损，制品在周转过程中受外界利器刮伤破损等，引脚镀层的破损使内部铁基材料在适当的条件下生锈腐蚀。漆包线绝缘漆破损主要出现在引脚焊锡与漆包线的焊接交界处，在引脚焊接时交界处的绝缘漆层由于高温发生熔融破损，使铜线裸露，发生化学氧化。

为减少引脚和外露漆包线的化学氧化和电化学腐蚀，引脚材料选用磷青铜，外露漆包线涂覆清漆。磷青铜属于铜合金，其耐腐蚀性能优良；在漆包线表面涂覆清漆形成固化保护层，提高漆包线抵御潮湿、酸性及盐雾环境腐蚀的能力[12-13]。引脚材料重新选材和增加保护层后，在上述酸雾及盐雾试验中高频变压器引脚均能保持700 h不发生锈蚀，具有良好的耐腐蚀性能。

3 结论与建议

在酸雾和盐雾环境中，引脚镀层破损和漆包线焊锡处均易诱发腐蚀；引脚腐蚀模式主要为化学氧化和电化学腐蚀。

引脚材料选用磷青铜，漆包线涂覆清漆作保护层可有效提高引脚耐腐蚀性能。