高頻變壓器引腳的腐蝕原因

歐毓迎,陸正華

(珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070)

開(kāi)關(guān)電源中的高頻變壓器由引腳、漆包線和骨架組成，它是能量?jī)?chǔ)存和傳輸?shù)闹匾考?，其失效將直接影響開(kāi)關(guān)電源的可靠性，而引腳腐蝕是售后高頻變壓器失效的主要原因之一[1]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和環(huán)境的變化, 高頻變壓器的使用環(huán)境變得多樣化和復(fù)雜化，其中潮濕、酸性及鹽霧環(huán)境對(duì)高頻變壓器的耐腐蝕性能提出了更高的要求[2-5]。電子元器件的引腳腐蝕問(wèn)題長(zhǎng)期存在，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了較多的研究，但各電子器件腐蝕的誘因十分復(fù)雜，其引腳腐蝕失效現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生[6-9]。特別是在合肥、鄭州等華中地區(qū)，高頻變壓器引腳腐蝕，售后故障頻現(xiàn)。本工作對(duì)售后高頻變壓器的引腳腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，總結(jié)了其失效模式，并在不同環(huán)境中對(duì)不同引腳材料的高頻變壓器進(jìn)行腐蝕模擬試驗(yàn)，分析了其發(fā)生腐蝕的原因，旨在優(yōu)化引腳材料與選型，提高高頻變壓器引腳的耐腐蝕性能。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 腐蝕形貌與產(chǎn)物

通過(guò)對(duì)高頻變壓器腐蝕失效現(xiàn)象的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，失效的模式主要有兩種，分別是引腳本體腐蝕和外露漆包銅線腐蝕，其中以引腳本體腐蝕為主，比例占80%以上，如圖1所示。

采用S-4300N型掃面電鏡附帶的能譜儀測(cè)引腳處腐蝕產(chǎn)物及高頻變壓器骨架材料的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。 結(jié)果表明：與正常引腳相比，引腳處腐蝕產(chǎn)物中存在微量的S元素；而高頻變壓器的骨架材料是一種主要由C、H、O三種元素組成的高分子材料。這說(shuō)明高頻變壓器自身不含S元素，腐蝕位置出現(xiàn)的S元素應(yīng)屬于外界元素，與引腳腐蝕有直接的關(guān)系[3,5]。

表1 引腳處腐蝕產(chǎn)物和高頻變壓器骨架的 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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單質(zhì)的形式存在。當(dāng)空氣SO2成分含量較高時(shí)，與空氣中的H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成H2SO3，H2SO3與空氣中的O2發(fā)生氧化反應(yīng)形成H2SO4，H2SO4最終隨雨滴降落形成酸雨。經(jīng)查相關(guān)資料，目前我國(guó)華中地區(qū)已成為污染范圍最大、中心強(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，而高頻變壓器引腳腐蝕故障頻現(xiàn)的地區(qū)主要為合肥、鄭州等華中地區(qū)。因此，初步確定高頻變壓器引腳腐蝕與酸性環(huán)境或鹽性環(huán)境有直接的關(guān)系。以下試驗(yàn)分別驗(yàn)證了弱酸環(huán)境和中性鹽環(huán)境對(duì)引腳腐蝕的影響。

(a) 引腳 (b) 外露漆包銅線圖1 引腳和外露漆包銅線的宏觀腐蝕形貌Fig. 1 Macrographs of corroded pins (a) and exposed enamelled copper wire (b)

1.2 腐蝕模擬試驗(yàn)

取全新的高頻變壓器作為試樣，人為破壞其引腳上的鍍錫層以模擬故障件，對(duì)故障件與引腳鍍層完好的高頻變壓器樣品進(jìn)行酸霧試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)。酸霧和鹽霧分別為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H2SO4弱酸性溶液和5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液，試驗(yàn)溫度為40 ℃,試驗(yàn)時(shí)間分別為48、96、192 h。試驗(yàn)后觀察高頻變壓器引腳的腐蝕形貌。

1.2.1 酸霧試驗(yàn)

引腳鍍層破損的高頻變壓器在酸霧環(huán)境中放置一段時(shí)間后，其引腳的表面形貌變化如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，在酸霧環(huán)境中放置48 h后，鍍層破損處附近出現(xiàn)明顯銹斑；隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)，銹斑逐漸從破損處向其他方向延伸，這是因?yàn)殄儗悠茡p處引腳發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松，更容易吸附水分、氧氣以及酸性物質(zhì)，導(dǎo)致腐蝕速率加快，銹斑面積增大；放置192 h后，引腳表面已全部被銹斑覆蓋，引腳徹底腐蝕失效。

引腳鍍層完好的高頻變壓器在酸霧環(huán)境中放置一段時(shí)間后，漆包線與焊錫交界處先出現(xiàn)銅綠，隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)，銅綠逐漸延伸到引腳端，導(dǎo)致引腳也出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，最終完全腐蝕失效，如圖3所示。這是因?yàn)樵谄岚€與焊錫交界處，漆包線表面的絕緣漆與焊錫接觸，焊錫的高溫導(dǎo)致絕緣漆出現(xiàn)局部收縮、融化，導(dǎo)致內(nèi)部銅線裸露，在空氣和酸性環(huán)境中，銅線發(fā)生腐蝕產(chǎn)生銅綠，當(dāng)銅綠延伸到引腳表面時(shí)，直接影響引腳的焊接性能導(dǎo)致其失效。

1.2.2 鹽霧試驗(yàn)

引腳鍍層破損的高頻變壓器在鹽霧環(huán)境中放置一段時(shí)間后，其引腳的表面形貌如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，在鹽霧環(huán)境中放置48 h后，鍍層破損處附近同樣出現(xiàn)明顯銹斑；隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，銹斑逐漸從破損處向其他方向延伸；當(dāng)放置192 h后，引腳表面已全部被銹斑覆蓋，引腳徹底腐蝕失效。

由圖5可見(jiàn),引腳鍍層完好的高頻變壓器在鹽霧環(huán)境中放置48 h后，漆包線與焊錫交界處的絕緣漆發(fā)生脫落，逐漸裸露出內(nèi)部銅線，并產(chǎn)生少量的銅綠；當(dāng)放置96 h后，裸露的銅線面積增大，腐蝕逐漸延伸，直至銅綠完全覆蓋附近漆包線和引腳端，從而降低引腳的焊接性能,最終導(dǎo)致引腳失效。

(a) 48 h (b) 96 h (c) 192 h圖2 在酸霧環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間后鍍層破損引腳的宏觀腐蝕形貌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圖3 在酸霧環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間后鍍層完好引腳的宏觀腐蝕形貌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圖4 在鹽霧環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間后鍍層破損引腳的宏觀腐蝕形貌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圖5 在鹽霧環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間后鍍層完好引腳的宏觀腐蝕形貌Fig. 5 Macrographs of pins with well coating corroded in salt spraying environment for different periods of time

2 腐蝕原因分析

從化學(xué)腐蝕角度分析，高頻變壓器的引腳材料為鐵鍍錫，當(dāng)鍍錫層有孔隙或裂紋時(shí)，在潮濕或酸性環(huán)境中，鍍錫層破損處裸露的鐵會(huì)發(fā)生化學(xué)腐蝕(生銹)，其反應(yīng)如式(1)所示；同樣的，漆包線的絕緣漆破損后，裸露的銅在水分、氧氣及二氧化碳的環(huán)境中發(fā)生氧化生成Cu(OH)2CO3(銅綠)[10]，如式(2)所示。從電化學(xué)角度分析，F(xiàn)e/Fe2+標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.440 V，Sn/Sn2+標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.136 V，當(dāng)引腳鍍層破損后，裸露的鐵與鍍層中的錫構(gòu)成原電池，鐵失去電子被腐蝕；Cu/Cu2+標(biāo)準(zhǔn)電極電位為+0.337 V，高于Sn/Sn2+標(biāo)準(zhǔn)電極電位，在漆包線與焊錫交界處，銅與錫在酸霧或鹽霧環(huán)境中構(gòu)成原電池，錫失去電子逐漸被溶解，而裸露的銅發(fā)生化學(xué)氧化[11]。

(1)

(2)

引腳鍍層破損的原因有很多，如引腳浸錫不良導(dǎo)致鍍層有缺損，制品在周轉(zhuǎn)過(guò)程中受外界利器刮傷破損等，引腳鍍層的破損使內(nèi)部鐵基材料在適當(dāng)?shù)臈l件下生銹腐蝕。漆包線絕緣漆破損主要出現(xiàn)在引腳焊錫與漆包線的焊接交界處，在引腳焊接時(shí)交界處的絕緣漆層由于高溫發(fā)生熔融破損，使銅線裸露，發(fā)生化學(xué)氧化。

為減少引腳和外露漆包線的化學(xué)氧化和電化學(xué)腐蝕，引腳材料選用磷青銅，外露漆包線涂覆清漆。磷青銅屬于銅合金，其耐腐蝕性能優(yōu)良；在漆包線表面涂覆清漆形成固化保護(hù)層，提高漆包線抵御潮濕、酸性及鹽霧環(huán)境腐蝕的能力[12-13]。引腳材料重新選材和增加保護(hù)層后，在上述酸霧及鹽霧試驗(yàn)中高頻變壓器引腳均能保持700 h不發(fā)生銹蝕，具有良好的耐腐蝕性能。

3 結(jié)論與建議

在酸霧和鹽霧環(huán)境中，引腳鍍層破損和漆包線焊錫處均易誘發(fā)腐蝕；引腳腐蝕模式主要為化學(xué)氧化和電化學(xué)腐蝕。

引腳材料選用磷青銅，漆包線涂覆清漆作保護(hù)層可有效提高引腳耐腐蝕性能。