电子元器件失效的化学成分检测分析及预防措施

2023-02-11李世航薛晶晶

粘接 2023年1期

李世航，薛晶晶，2

(1.延安大学物理与电子信息学院，陕西延安 716000；2.陕西省能源大数据智能处理省市共建实验室，陕西延安 716000)

电子元器件是电子元件和小型的机器、仪器的组成部分[1]。日常生活中电子元器件无处不在，已与人们的学习、生活和工作息息相关，常见的电子元器件包括：机电元件、连接器、半导体、集成电路、电子化学材料及部品等[2]。可见，电子元器件在日常生活中发挥了重要的作用，因此，在电子元器件质量方面有严格的管控和认证措施，包括中国的CQC认证、欧盟的CE认证，德国的VDE和TUV认证等[3]，目的就是要保证电子元器件的质量，从而避免在实际使用过程中发生由于电子元器件失效而产生的事故[4-6]。某电子元器件中的定位线夹在使用2年后发生断裂，需要通过对断裂失效件进行宏观及微观断口分析、产物成分分析和金相分析等，分析线夹开裂原因，并提出有效地预防措施，减少或避免同类事故再次发生。

1 材料与试验方法

从发生断裂的电子元器件的定位线夹上取样，采用电感耦合等离子发射光谱法测得其主要元素具体如表1所示。

表1 化学成分分析结果及标准规定对照Tab.1 Comparison of chemical composition analysis results and standards (%)

由表1可知，根据设计和使用要求，电子元器件的定位线夹材质为CuNi2Si定位线夹。对比分析可以发现，发生断裂的定位线夹试样中各元素含量均在规定范围内。

断裂试样的宏观形貌采用华为P40手机进行拍摄；断口形貌采用S-4800型场发射扫描电子显微镜进行观察，局部区域的成分分析采用附带能谱仪进行半定量；切取断口附近和基体试样，经过砂纸打磨、抛光和氯化铁盐酸溶液腐蚀后，在奥林巴斯GX51光学显微镜上观察金相组织。

2 检测与分析

2.1 宏观形貌

发生断裂的定位线夹宏观形貌如图1所示。

(a)表面形貌-正面 (b)表面形貌-背面

从图1可以看出，表面和断口部分区域均发生腐蚀，呈黑褐色。断口扩展花样表明，裂纹起始于螺栓孔与内表面交界的棱边，沿图中白色箭头所指方向扩展。裂纹源区腐蚀比较严重，随着裂纹向内扩展，断口腐蚀程度依次减轻，瞬断区位于外侧，如图1(c)所示，呈金属色。裂纹扩展中没有明显的塑性变形，属于脆性开裂[7]。

2.2 微观形貌及能谱成分分析

图2为电子元器件定位线夹断口源区附近形貌和能谱分析结果。

(a)源区-低倍 (b)源区-高倍

从图2(a)、(b)的断口源区附近沿晶断口形貌，局部可见覆盖物存在；图2(c)中可见高倍下沿晶形态以及覆盖物将晶粒覆盖；图2(d)的能谱分析中可见这些覆盖物主要由Cu、O、Al、Si元素组成，此外，还还有一定含量的S和Cl元素，这2种元素一般为腐蚀性介质元素，在定位线夹断裂过程中会加速裂纹的扩展[8]。

图3为电子元器件定位线夹扩展区形貌和能谱分析结果。

(a)低倍 (b)高倍

从图3可以看出，扫描电镜下，扩展区基本都为沿晶断口形态，低倍下可见覆盖物随机分布在沿晶断口上；高倍下可见沿晶断口中的晶粒大小不等，较小的晶粒约在20 μm以下，晶粒边界较为清晰。

图4为电子元器件定位线夹断口后断区形貌结果。

图4 电子元器件定位线夹断口后断区形貌Fig.4 Morphology of fracture area after fracture of positioning clamp of electronic components

从图4可以看出，在电子元器件定位线夹断裂后期，裂纹扩展速度较快，断口中主要以撕裂冷和韧窝为主，呈韧性断裂特征，表明电子元器件定位线夹自身的塑性较好[9]。

图5为电子元器件定位线夹断口源区附近侧表面形貌和能谱分析结果。

(a)侧表面低倍 (b)侧表面高倍

从图5可以看出，在电子元器件定位线夹断口源区附近侧表面覆盖有致密的腐蚀产物，且可见较长的裂纹从源区附近延伸，裂纹宽度约在5 μm；高倍下可见裂纹内部也有颗粒状覆盖物，呈粉状，表明这些裂纹形成的时间较早，腐蚀产物形成后在外力以及水分减少的情况下回发生粉化[10]。高倍局部形貌中可见主裂纹附近还可见多条分支微裂纹，且裂纹附近覆盖物主要含Cu、O、Ni、Al元素，以及一定含量的S和Cl元素，这2种元素一般为腐蚀性介质元素。可见，断口附近侧表面覆盖物与断面覆盖物的成分相近。

在扫描电镜下观察图2～图5断口微观形态并进行能谱分析，可以发现电子元器件定位线夹的起裂区和扩展区域均以沿晶断口形态为主，大部分区域覆盖腐蚀产物，能谱分析表明，产物成分中含有较高的C、O、Mg、Al、Si、Ca、Zn等，同时还分析出较高的S和少量Cl元素；外表侧后断区为韧窝断口。线夹起裂区附近的内表面也存在多条微裂纹，裂纹附近均发生腐蚀，腐蚀产物成分中也含有S和Cl元素。断口分析表明，线夹在含有S、Cl潮湿性腐蚀介质和应力共同作用下发生了沿晶应力腐蚀开裂[11]。

2.3 金相组织

垂直于裂纹制取内表面金相试样，检验金相组织，形态如图6所示。

(a)源区裂纹区 (b)孔内壁

图6分别列出了源区裂纹区、孔内壁、外表面侧和基体的金相组织，从图6可以看出，定位线夹内表面、孔壁表层和外表面表层组织中均存在腐蚀坑和细小沿晶微裂纹，主裂纹以沿晶方式向内扩展，裂纹附近组织与基体组织基本一致，均为奥氏体晶粒组织，参照GB/T6394—2017[12]评定晶粒度级别，为8.0～6.0级。

进一步采用扫描电镜对裂纹源区附近裂纹剖面进行形貌观察和局部能谱分析，结果如图7所示。

(a)SEM形貌(b)能谱分析

从图7可以看出，源区附近裂纹被腐蚀产物所填充，表明这些腐蚀产物形成时间较早；此外，裂纹呈曲折状，与沿晶裂纹扩展形态保持一致；能谱分析表明，裂纹内产物成分中也含有S、Cl元素，这与断口表面、源区附近侧表面分析结果一致，这也说明在裂纹扩展过程中，外力和S、Cl元素共同作用造成定位线夹发生了应力腐蚀开裂[13]。

2.4 硬度分析

在断口附近位置( 断口边部至心部每间隔0.5 mm)制取横截面硬度试样进行显微维氏硬度测试，加载载荷为50 g，保载时间为10 s，显微硬度测量结果如表2所示。

表2 电子元器件定位线夹的显微硬度(HV0.05)Tab.2 Microhardness of positioning clampof electronic components (HV0.05) HV

由表2可知，断口附近边部区域的硬度与内部基体相近，平均硬度为250 HV。

2.5 预防措施

从上述测试结果可知，电子元器件定位线夹是在含有S、Cl潮湿性腐蚀介质和应力共同作用下发生了沿晶应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂是应力和腐蚀介质共同作用的结果，腐蚀介质是电子元器件的应用环境，通常是不可选择的，因此，主要影响电子元器件应力腐蚀的关键因素就是临界应力[14]。造成电子元器件发生应力腐蚀开裂的临界应力不仅与材料的自身属性有关，还与外力大小有关，只有在高于一定应力水平条件下才能与腐蚀介质共同作用造成起裂，以及裂纹扩展，其中，应力腐蚀断裂部位通常不存在均匀腐蚀，断裂往往以点蚀、缝隙腐蚀为起点，从接触介质的金属表面发生，往深处发展[15]。因此，起裂位置往往是发生应力腐蚀的薄弱区域，如尖角、凹坑等应力集中处。

从发生应力腐蚀机理角度来看，要想避免电子元器件等在外力存在的作用下发生应力腐蚀，可以从以下几个方面着手：(1)尽可能降低电子元器件使用过程中的外加应力；(2)在可行的情况下隔离腐蚀介质，或加缓蚀剂等各种手段来防止应力腐蚀的产生；(3)电子元器件边角处尽可能地保证加工精度，避免尖角、凹坑等应力集中位置的出现；(4)使用前采取一些消除残余应力的手段；(5)对电子元器件进行表面改性处理增强耐腐蚀、耐磨性能等。