電器電子產(chǎn)品零部件剩余壽命檢測(cè)技術(shù)探討

謝海俊 傅加平

蘇州海關(guān)綜合技術(shù)中心 江蘇蘇州 215104

1 引言

隨著社會(huì)發(fā)展，家用電器等電器電子產(chǎn)品已深度應(yīng)用到生產(chǎn)生活中的方方面面，保有量巨大，給生態(tài)環(huán)境和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了挑戰(zhàn)。據(jù)工信部有關(guān)數(shù)據(jù)，至2020年度我國(guó)空調(diào)、電冰箱等5種主要家電的報(bào)廢量將超20億臺(tái)。循環(huán)經(jīng)濟(jì)背景下，人們通過(guò)追求增加產(chǎn)品價(jià)值、優(yōu)化資源利用和減少環(huán)境影響實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要有檢測(cè)手段對(duì)電器電子零部件剩余壽命進(jìn)行有效評(píng)估，并上升到標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)層面。這對(duì)政府產(chǎn)業(yè)政策制定、產(chǎn)品廢舊屬性鑒定、產(chǎn)品循環(huán)制造的市場(chǎng)準(zhǔn)入等都具有重要意義。

2 現(xiàn)狀和理論依據(jù)

目前，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)機(jī)械零件剩余壽命評(píng)估給出了指南方法，GB/T 34631-2017《再制造 機(jī)械零件剩余壽命評(píng)估指南》標(biāo)準(zhǔn)中將機(jī)械零件分為材料級(jí)、零件級(jí)、部件級(jí)、整機(jī)級(jí)四個(gè)檢測(cè)層次，采用應(yīng)力應(yīng)變電測(cè)、X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)試等方法對(duì)剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，但對(duì)電器電子產(chǎn)品的剩余壽命評(píng)估方法暫時(shí)還是空白。

圖1 批量產(chǎn)品失效浴盆原理曲線

圖2 個(gè)體樣品失效漸變曲線

如圖1、圖2，宏觀上對(duì)批量產(chǎn)品的生命周期評(píng)估時(shí)，一般服從于浴盆原理曲線；而對(duì)某一個(gè)體產(chǎn)品評(píng)估時(shí)，特別是微觀狀態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)出漸變的特點(diǎn)，電器電子產(chǎn)品的失效是一個(gè)漸變過(guò)程，在不同壽命時(shí)期的微觀觀察中，材料或元器件會(huì)呈現(xiàn)出漸變退化中的不同形態(tài)。電器電子產(chǎn)品的失效原因分為材料和元器件兩大類，失效機(jī)理類型有：熱致失效、機(jī)械失效、電化學(xué)失效、靜電放電失效等，上述失效都有相對(duì)確定的微觀缺陷。如裂紋、導(dǎo)電離子污染物引起的橋連、錫須、枝晶生長(zhǎng)等。

我們可以探討通過(guò)檢測(cè)手段發(fā)現(xiàn)相關(guān)缺陷，避免那些未掌握使用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)但剩余壽命已接近損耗失效期的產(chǎn)品流入再制造或循環(huán)利用市場(chǎng)。

對(duì)電器電子產(chǎn)品進(jìn)行剩余壽命評(píng)估目前主要有預(yù)測(cè)和檢測(cè)兩類方法，具體要素見(jiàn)表1。

表1 預(yù)測(cè)和檢測(cè)方法比較

理論模型預(yù)測(cè)的方法多用于高可靠、長(zhǎng)壽命、高價(jià)值的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品難以通過(guò)試驗(yàn)獲得失效數(shù)據(jù)或壽命數(shù)據(jù)，同時(shí)這類產(chǎn)品在研制、定型試驗(yàn)、存儲(chǔ)使用過(guò)程中積累了一些反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和性能的監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含了豐富的關(guān)于設(shè)備剩余使用壽命的相關(guān)信息。機(jī)理定壽模型適用于判斷產(chǎn)品剩余壽命需要充分的監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)的情況。同時(shí)由于模型建立和數(shù)學(xué)處理方法復(fù)雜，大多數(shù)機(jī)械制造或電器電子行業(yè)，尤其對(duì)前期數(shù)據(jù)較缺乏的特定批次或樣品的判斷沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。特別在政府監(jiān)管、檢驗(yàn)鑒定領(lǐng)域，在大批量快速?zèng)Q斷需求的要求下，實(shí)證的結(jié)果更為重要，這時(shí)檢測(cè)分析手段的應(yīng)用空間就比較大。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

作者采用失效分析檢測(cè)方法（X-ray、切片檢測(cè)）對(duì)階梯使用時(shí)間的PCB板和元器件進(jìn)行了分析。樣品為可編程控制器的電源輸入模塊，如圖3，使用時(shí)間分別為2年、10年、16年。該三件樣品來(lái)源于用于再制造的進(jìn)口復(fù)印機(jī)上的輸入電源模塊，由美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化有限公司制造。選擇這三件樣品，主要是因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)承受220 V交流電和脈沖直流電的強(qiáng)弱電交變應(yīng)力，工作循環(huán)時(shí)間相似、制造工藝相同，同時(shí)應(yīng)力周期足夠長(zhǎng)，有區(qū)分度。

圖3 階梯使用時(shí)間的樣品

照片為部分X-Ray檢測(cè)、切片檢測(cè)的典型可編程控制器樣品（制樣前），為便于比較和得出結(jié)論，選取樣品的原則：

（1）在電器電子領(lǐng)域大量使用具有代表性；

（2）承受充分的各類主要應(yīng)力；

（3）工況相近，使用時(shí)間分布合理；

（4）材料、制造工藝相同（如PCB基板材料、貼片工藝、焊料組分等）。

選擇X-Ray、切片檢測(cè)進(jìn)行比較，是因?yàn)閄-ray具有無(wú)損、快速的特點(diǎn)，適合大批量產(chǎn)品篩選。切片的方法在失效分析中應(yīng)用廣泛，同時(shí)引入Minilab等分析軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使結(jié)果更具可信度。

切片檢測(cè)方法的特點(diǎn)在于：

（1）結(jié)果直觀，能從微觀結(jié)構(gòu)變化中鎖定發(fā)現(xiàn)電器電子產(chǎn)品微裂紋、空洞、虛焊等缺陷，猶如醫(yī)學(xué)中的病理分析；

（2）樣品可溯性好，是一種靜態(tài)檢測(cè)方法，檢測(cè)時(shí)無(wú)須讓復(fù)雜的產(chǎn)品處于運(yùn)行狀態(tài)；

（3）樣品應(yīng)用面廣，檢測(cè)成本和周期可控，可廣泛檢測(cè)PCB材料、元器件、焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)。

4 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)

上述樣品通過(guò)X-ray檢測(cè)的圖譜如圖4所示。

圖4 檢測(cè)樣品圖譜

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)X-ray檢測(cè)的圖譜中，樣品的元器件、焊接點(diǎn)、PCB板材料等隨著使用年限的變化，未發(fā)現(xiàn)明顯可分辨的差異。說(shuō)明X-ray檢測(cè)方法，對(duì)電器電子產(chǎn)品，主要適用于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的制造缺陷，而非壽命或可靠性缺陷，這一點(diǎn)與機(jī)械零部件的疲勞或強(qiáng)度失效機(jī)理有所不同。

在切片試驗(yàn)中，我們選取上述樣品的元器件、PCB板、連接件部位的縱切面制取樣品，樣品及檢測(cè)儀器如圖5、圖6所示。

圖5 樹脂固封拋光后樣品及典型樣品局部圖

圖6 能譜分析儀

經(jīng)儀器放大觀察，使用年限為10年、16年的樣品連接件焊接部位均存在焊錫晶格裂紋現(xiàn)象，且16年使用年限的裂紋現(xiàn)象更為明顯，微觀圖片如圖7所示。

圖7 10年、16年使用年限樣品晶格裂紋

對(duì)發(fā)現(xiàn)微觀缺陷的樣品，后續(xù)選取一致性批量產(chǎn)品進(jìn)行溫濕度應(yīng)力的加速壽命試驗(yàn)，強(qiáng)化晶格裂紋缺陷，使產(chǎn)品在較短時(shí)間內(nèi)失效，并呈現(xiàn)失效時(shí)間上的差異。通過(guò)上述觀察和試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，微觀缺陷的程度與電器電子的使用壽命是存在關(guān)聯(lián)的。

5 結(jié)論

一般使用情況下，電器電子產(chǎn)品零部件的微觀實(shí)質(zhì)變化會(huì)先于宏觀失效現(xiàn)象，不同檢測(cè)分析手段對(duì)零部件壽命缺陷的敏感程度區(qū)別很大，壽命缺陷與產(chǎn)品或零部件的使用狀態(tài)、生產(chǎn)工藝、失效類型等綜合因素相關(guān)。

部分失效分析檢測(cè)方法對(duì)電器電子產(chǎn)品零部件的壽命缺陷顯示出一定的辨識(shí)度，對(duì)相關(guān)零部件剩余壽命評(píng)估有重要參考價(jià)值。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34631-2017《再制造 機(jī)械零件剩余壽命評(píng)估指南》已經(jīng)對(duì)機(jī)械零件剩余壽命的評(píng)估準(zhǔn)則和檢測(cè)項(xiàng)目做出了規(guī)定。建議有關(guān)部門，在充分有效的試驗(yàn)和研究的基礎(chǔ)上，盡快針對(duì)電器電子零部件產(chǎn)品，制定壽命缺陷檢測(cè)方法指南及剩余壽命評(píng)估方法，并應(yīng)用于實(shí)際，這對(duì)電器電子有關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。作者相信，失效性分析檢測(cè)方法在該領(lǐng)域的應(yīng)用隨著理論和技術(shù)的發(fā)展必定會(huì)有越來(lái)越廣闊的空間。