ZrO2氧傳感器封接料開(kāi)裂失效分析及改進(jìn)

劉智敏，秦 浩，王洋洋，周明軍，郝玉芳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

氧化鋯(ZrO2)氧傳感器是基于高溫條件下氧離子電導(dǎo)和氣體擴(kuò)散機(jī)制的組合，具有極限電流的特性，其輸出與氧氣濃度成比例[1～3]。該類傳感器具有測(cè)量范圍廣、測(cè)量精度高，不需要參比氣體可直接以電壓 (或電流) 形式輸出，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[4～7]，廣泛應(yīng)用于環(huán)保、材料、化工、冶金、能源、宇航等領(lǐng)域[8]。近年來(lái)，隨著交付用戶的ZrO2氧傳感器數(shù)量不斷增多，使用中傳感器出現(xiàn)失效的情況頻發(fā)，本文對(duì)傳感器使用中頻繁出現(xiàn)的封接料開(kāi)裂失效模式進(jìn)行機(jī)理分析，提出了改進(jìn)措施,并進(jìn)行了改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 傳感器失效現(xiàn)象及原因分析

ZrO2氧傳感器交付用戶后，在某分系統(tǒng)電測(cè)中，6只傳感器中發(fā)現(xiàn)有2只編號(hào)為4#和5#的產(chǎn)品出現(xiàn)輸出異常故障。4#產(chǎn)品故障現(xiàn)象表現(xiàn)為輸出超差，顯示數(shù)據(jù)為4.58 V，實(shí)際值應(yīng)為2.09 V；5#產(chǎn)品故障現(xiàn)象表現(xiàn)為輸出超差至限幅，顯示數(shù)據(jù)為5.572 V，實(shí)際值應(yīng)為2.09 V。傳感器返回后，對(duì)傳感器進(jìn)行了復(fù)測(cè)，故障保持。

顯微鏡觀察傳感器芯體側(cè)面封接料有開(kāi)裂，其中5#產(chǎn)品裂紋較大，在40倍顯微鏡下即可觀察，4#產(chǎn)品裂紋較小，在100倍掃描電鏡(SEM)下觀察可見(jiàn)。觀察結(jié)果如圖1所示。經(jīng)過(guò)觀察2只傳感器最大開(kāi)裂位置相同，均在封接料引出線側(cè)面開(kāi)裂。

對(duì)斷裂面用SEM(130倍)觀察檢查發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂處封接料尺寸較窄，屬于耐應(yīng)力最弱的部位。如圖2所示。通過(guò)對(duì)失效產(chǎn)品觀察，失效原因均為傳感器封接料本體斷裂。

圖2 傳感器封接料斷裂面狀態(tài)

2 失效機(jī)理分析

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器是由加熱片和ZrO2片采用玻璃封接料封接而成的中空?qǐng)A片結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)示意

2.2 封接料開(kāi)裂機(jī)理

傳感器主體結(jié)構(gòu)材料為陶瓷和玻璃封接料等脆性材料，在溫度變化劇烈的情況下,由于熱脹冷縮，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)抗拉應(yīng)力時(shí)，易使材料產(chǎn)生碎裂。

在材料導(dǎo)熱系數(shù)固定的情況下，通過(guò)減小尺寸、統(tǒng)一線脹系數(shù)和加熱體均勻分布等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳感器較小的溫度梯度，使其在通電和工作過(guò)程中保持內(nèi)應(yīng)力在抗拉應(yīng)力之下。目前使用的設(shè)計(jì)材料中，由于采用了4mol氧化釔穩(wěn)定的ZrO2陶瓷，其抗拉強(qiáng)度較玻璃封接料的抗拉強(qiáng)度高。由于傳感器屬于高溫400～500 ℃的工作模式，在傳感器啟動(dòng)過(guò)程中能夠產(chǎn)生較大的溫沖，不同材料間的熱脹冷縮會(huì)形成交變熱應(yīng)力，如圖4所示。

經(jīng)過(guò)仿真分析，得出了在通電初期，芯體升溫前的應(yīng)力分布狀態(tài)，如圖5所示。分析的結(jié)果表明了在傳感器固支結(jié)構(gòu)邊緣產(chǎn)生了最大的交變熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力傳遞到了封接料表面，對(duì)封接料造成熱應(yīng)力。

圖5 傳感器通電初期應(yīng)變分布情況

基于以上分析，傳感器封接料開(kāi)裂的的失效機(jī)理為封接料在交變熱應(yīng)力條件下產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。

3 傳感器改進(jìn)措施與驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)措施

提出了對(duì)傳感器的加熱電路增加預(yù)熱功能，使傳感器在啟動(dòng)過(guò)程中減小熱應(yīng)力沖擊程度。圖6為增加預(yù)熱功能的加熱電路，圖中U2,Q2,C3,Z2,R2,R3,R5構(gòu)成低加熱電壓保持電路。U2為觸發(fā)器40106；Q2為三極管3DK104D；C3為鉭電容器CAK—25 V—33 μF；Z2為穩(wěn)壓二極管ZW53；R2,R3,R5為調(diào)試電阻器。

圖6 具有預(yù)熱功能的加熱電路

對(duì)電路改進(jìn)前后傳感器熱應(yīng)力情況進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 電路改進(jìn)前后傳感器熱應(yīng)力情況仿真分析

由圖7可知，電路改進(jìn)前后傳感器所受的應(yīng)力分別為1.728，1.054 kPa。電路改進(jìn)后，傳感器的應(yīng)力明顯下降，降低幅度約為40 %。

3.2 傳感器改進(jìn)措施驗(yàn)證

采用圖6電路可以實(shí)現(xiàn)傳感器加熱電壓的分段提高，降低了一次性加電產(chǎn)生的過(guò)高溫度沖擊。

該電路經(jīng)過(guò)延時(shí)電路延時(shí)規(guī)定的時(shí)間后，三極管導(dǎo)通，輸出正常的加熱電壓，導(dǎo)通前，由于電阻器Rt1.2的作用，加熱電壓可以維持在1.2～2.0V之間的數(shù)值。表1說(shuō)明了分段加熱時(shí)加熱器溫度變化情況。

表1 分段加熱功率和溫度變化比較

選擇同批次產(chǎn)品中與故障產(chǎn)品外形狀態(tài)接近的3只樣品，編號(hào)為015#,016#和017#進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程與開(kāi)裂產(chǎn)品一致。

傳感器加熱電路增加預(yù)熱電路后，傳感器進(jìn)行了276次(與開(kāi)裂產(chǎn)品啟動(dòng)次數(shù)一致)的啟動(dòng)熱應(yīng)力試驗(yàn)。試驗(yàn)完畢的樣品，顯微鏡鏡檢觀察封接料未見(jiàn)可見(jiàn)裂紋。傳感器再次進(jìn)行熱啟動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)為200次，試驗(yàn)后，顯微鏡鏡檢觀察封接料，未見(jiàn)可見(jiàn)裂紋。

仿真分析和實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：分段式加熱電路可以有效實(shí)現(xiàn)傳感器溫度均勻分布，降低了熱應(yīng)力沖擊強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

對(duì)ZrO2氧傳感器封接料開(kāi)裂失效機(jī)理進(jìn)行分析，傳感器封接料開(kāi)裂的失效機(jī)理為封接料在交變熱應(yīng)力條件下產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。針對(duì)該機(jī)理提出了在傳感器加熱電路上增加預(yù)熱功能，通過(guò)仿真和試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。仿真分析結(jié)果表明，溫度變化幅度為200 ℃時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，溫度變化400 ℃時(shí)的應(yīng)力降低幅度約為40 %。試驗(yàn)驗(yàn)證表明：傳感器在進(jìn)行了576次熱應(yīng)力試驗(yàn)后，封接料狀態(tài)良好，未開(kāi)裂，表明加熱電路增加預(yù)熱功能后降低了熱應(yīng)力沖擊強(qiáng)度，可以有效避免傳感器在使用中出現(xiàn)封接料開(kāi)裂這一故障。

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