高頻變壓器引腳電化學(xué)腐蝕失效分析與可靠性研究

項(xiàng)永金 王少輝 趙宇翔

摘 要：為了適應(yīng)電器設(shè)備的發(fā)展，開關(guān)電源電路憑借良好的性能得到了廣泛應(yīng)用，高頻變壓器作為開關(guān)電源電路的重要組成器件，決定了開關(guān)電源的質(zhì)量。高頻變壓器在實(shí)際應(yīng)用中會出現(xiàn)引腳腐蝕故障失效，導(dǎo)致開關(guān)電源電路不能正常通電工作。本文通過分析高頻變壓器引腳腐蝕的失效機(jī)理，通過對高頻變壓器引腳加錫防護(hù)，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(hù)更加可靠，杜絕了引腳腐蝕斷線故障，提高產(chǎn)品的應(yīng)用可靠性。

關(guān)鍵詞：引腳腐蝕；初級線圈；加錫；三防膠；引腳材質(zhì)；可靠性

0 引言

隨著科技的發(fā)展，電器設(shè)備使用越來越廣泛，功能越來越強(qiáng)大，體積也越來越小，對電源模塊的要求不斷增加。開關(guān)電源具有效率高、成本低及體積小的特點(diǎn)，在電氣設(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用。在開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(guān)電源中重要的磁性元件。高頻變壓器引腳腐蝕失效，導(dǎo)致電器電源部分不能正常通電，因此研究其失效機(jī)理非常重要。

1 事件背景

在實(shí)際應(yīng)用中，使用高頻變壓器的家用空調(diào)外機(jī)控制器故障失效突出，其主要故障為引腳腐蝕，分析失效數(shù)據(jù)，實(shí)際使用失效時(shí)間并不集中，失效均集中在初級線圈。

2 失效原因及失效機(jī)理分析

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，高頻變壓器長期在潮濕環(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，引腳及銅線產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，造成初級端引腳及銅線腐蝕生銹，嚴(yán)重的導(dǎo)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(jié)合處嚴(yán)重腐蝕發(fā)綠。

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(yán)重，從銹的顏色看，應(yīng)屬于內(nèi)部鐵引腳發(fā)生了腐蝕現(xiàn)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。

實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，不同廠家、不同批次的高頻變壓器均出現(xiàn)引腳氧化腐蝕生銹現(xiàn)象，導(dǎo)致輸入與輸出電壓不穩(wěn)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(dǎo)致銅線斷裂，腐蝕嚴(yán)重的導(dǎo)致銅線絕緣漆內(nèi)部無銅存在，如圖3所示。

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(lán)色殘留物進(jìn)行EDX元素測試分析，如圖4所示，測試結(jié)果顯示PCB板不同位置殘留物測試結(jié)果中均顯示有硫（S）元素。

2.2.2 電鏡能譜掃描

對銅引線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(jié)果可知，有微量的異常元素硫（S）存在。

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的腐蝕作用。

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(shí)期差異不大，

2.2.5 絕緣漆厚度測試

對各廠家物料不同生產(chǎn)日期制品絕緣漆厚度進(jìn)行測試，如表1所示，各廠家漆包線絕緣漆厚度不同時(shí)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。

2.3 根據(jù)現(xiàn)象及測試結(jié)果分析

EDX對PCB主板殘留物元素成分測試結(jié)果顯示有硫元素存在，而硫元素在一般性腐蝕過程中會產(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會與H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成亞硫酸H2SO3，經(jīng)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(jīng)查閱相關(guān)資料，目前我國華中地區(qū)已成為全國酸雨污染范圍最大，強(qiáng)度最高的酸雨污染區(qū)，西南地區(qū)、華東沿海地區(qū)次之。這次復(fù)核到高頻變壓器引腳腐蝕現(xiàn)象的主要地區(qū)為華中地區(qū)。結(jié)合高頻變壓器引腳腐蝕的圖片，分析引腳腐蝕現(xiàn)象為鐵鍍錫引腳在酸性電解液（潮濕狀態(tài)）中構(gòu)成原電池電化學(xué)腐蝕引起。另外，加上使用過程中的高電壓通電狀態(tài)，腐蝕速度會加快。

2.3.1 鐵引腳鍍錫結(jié)構(gòu)的電化學(xué)分析

對于鐵引腳鍍錫這種結(jié)構(gòu)，從電化學(xué)角度看，理論上鍍錫層并不能夠有效保護(hù)鐵基材不受腐蝕。Fe/Fe2+的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.440 V，Sn/Sn2+的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.136 V，即Fe的電極電位比Sn的低，構(gòu)成原電池后，鐵會優(yōu)先被腐蝕。所以當(dāng)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(xiàn)象。在引腳鍍層表面質(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(nèi)部鐵基材暴露出，F(xiàn)e與Sn在酸性潮濕環(huán)境中構(gòu)成電化學(xué)腐蝕，F(xiàn)e的電極電位比Sn的低，構(gòu)成原電池后，鐵優(yōu)先發(fā)生腐蝕，出現(xiàn)高頻變壓器引腳腐蝕現(xiàn)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(fā)生電化學(xué)腐蝕，銅線彎折處的特點(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(jié)果來看，發(fā)現(xiàn)有微量的硫異常元素。

3 實(shí)驗(yàn)對比分析

對高頻變壓器引腳進(jìn)行耐腐蝕性實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

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

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彎折處銅線未發(fā)生明顯腐蝕現(xiàn)象；

3）經(jīng)鹽霧試驗(yàn)驗(yàn)證，高頻變壓器引腳、漆包線都出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象，隨著時(shí)間的延長腐蝕程度越發(fā)嚴(yán)重。

3.1 潮態(tài)實(shí)驗(yàn)

條件：取高頻變壓器5個(gè)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(tài)試驗(yàn)（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(yàn)結(jié)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；

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(yán)重。

3.2 鹽霧實(shí)驗(yàn)

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察1次，記錄引腳和漆包線的變化情況。

鹽霧144 h實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖10，漆包線已出現(xiàn)明顯腐蝕，表層漆膜出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，在引腳與漆包線焊接位置冒出腐蝕產(chǎn)物。

4 影響高頻變壓器腐蝕的失效因素分析

4.1 應(yīng)用電路高電壓影響

開關(guān)電源電路在電源中使用最為廣泛，以空調(diào)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圈1、2腳，電壓較高，在310 V左右，當(dāng)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。

4.2 應(yīng)用環(huán)境與時(shí)間影響

失效數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，失效均在外機(jī)變頻空調(diào)控制器主板，內(nèi)機(jī)并無失效，主要是外機(jī)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(jī)整機(jī)運(yùn)行環(huán)境影響，腐蝕物質(zhì)侵入會加快引腳腐蝕失效。統(tǒng)計(jì)失效數(shù)據(jù)，失效集中在使用2～5 a生產(chǎn)機(jī)器，普遍使用時(shí)間比較長，腐蝕是一個(gè)逐漸的化學(xué)反應(yīng)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(huán)境中，使得銅與錫在潮濕環(huán)境中構(gòu)成原電池化學(xué)腐蝕。

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(shí)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(fā)生咬銅現(xiàn)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(nèi)部銅線受高溫錫膏影響發(fā)生咬銅現(xiàn)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(fā)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)過程中，廠家通過引進(jìn)全自動線圈焊接設(shè)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，通過對引腳與銅線結(jié)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(yīng)用中外機(jī)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(yàn)驗(yàn)證方案1是最優(yōu)防護(hù)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(qiáng)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(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(qiáng)產(chǎn)品的整體絕緣能力，改善產(chǎn)品針腳的腐蝕問題。

5.3 方案3：改變引腳材質(zhì)

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(zhì)，磷青銅具有良好的導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)電極電位為+0.337 V，Sn/Sn2+的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.136 V，即Sn的電極電位比Cu的低，構(gòu)成原電池后，Sn為陽極，Cu為陰極，Cu會受到電化學(xué)保護(hù)，磷青銅材質(zhì)引腳的耐腐蝕性會得到較大提高。

各方案實(shí)驗(yàn)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(yàn)，288 h后結(jié)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(xiàn)極輕微腐蝕；

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。

綜合對比3個(gè)方案，涂三防膠及涂油漆，控制器生產(chǎn)過程中不好操作，由高頻變壓器生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過程中對高頻變壓器外漏漆包線部分涂三防漆保護(hù)，由于工藝不良容易造成引腳殘留，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)組裝中控制器出現(xiàn)引腳上錫不良，廠家生產(chǎn)過程管控難度較大。現(xiàn)改變引腳材質(zhì)方案，并通過結(jié)合點(diǎn)加錫處理，可以杜絕腐蝕故障發(fā)生，整改相對簡單，應(yīng)用效果顯著。

6 失效整改總結(jié)及意義

隨著時(shí)代的發(fā)展，電源越來越小型化，開關(guān)電源電路可靠性問題愈發(fā)嚴(yán)峻。作為開關(guān)電源電路的重要器件，高頻變壓器易出現(xiàn)引腳腐蝕失效。分析失效原因發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品制造工藝不良以及使用環(huán)境、應(yīng)用電路等多個(gè)因素均會導(dǎo)致出現(xiàn)故障。本文對高頻變壓器引腳腐蝕的失效機(jī)理、失效因素等多方面進(jìn)行分析，通過改變引腳材質(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(xiàn)：

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

[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.