電子元器件的斷裂失效原因分析

林黃智,田 柳

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.計算機與信息技術(shù)學(xué)院,b.汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230011)

0 引言

電子元器件在電器、無線電、儀器儀表等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,且由于外部使用環(huán)境、受力形式各不相同,實際應(yīng)用過程中的電子元器件會發(fā)生不同程度的損壞,嚴重時甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)等事故[1-3]。因此,對于每一次電子元器件的失效進行分析,搞清楚電子元器件的斷裂失效原因,將有助于同類事故的預(yù)防,提升電子元器件的使用壽命,保障設(shè)備的穩(wěn)定運行[4-7]。某電子元器件導(dǎo)線(規(guī)格:BZⅡ-3 mm2)在使用過程中發(fā)生斷裂,需要參照電子元器件技術(shù)規(guī)格書(IN48200.2-1981、DIN48201.2-1981、DIN48203.2-1984),以及電子元器件用銅及銅合金導(dǎo)線標準等,對其宏微觀斷口、剖面組織、微區(qū)成分和顯微硬度等進行檢測,在此基礎(chǔ)上,綜合分析電子元器件導(dǎo)線斷裂原因,結(jié)果將有助于避免同類事故發(fā)生,并具有借鑒意義。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

斷裂電子元器件導(dǎo)線宏觀形貌如圖1所示。導(dǎo)線由7根單線纏繞而成,最大外徑約7.5 mm,單線直徑約2.5 mm,大部分表面覆蓋深灰色腐蝕產(chǎn)物,局部區(qū)域產(chǎn)物剝落裸露銅紅色金屬表面,未見大尺寸異常腐蝕。導(dǎo)線一端7根單線中5根發(fā)生橫向斷裂,各單線斷口編號如圖1中標示,1#、3#、4#、5#斷口附近表面可觀察到有規(guī)律的橫向壓痕,各壓痕間距約1.3 mm,此外2#和5#斷口附近(導(dǎo)線內(nèi)側(cè))還有纏繞擠壓痕。用毛刷刷洗后用體式顯微鏡對各單線斷口進行檢查,各斷口宏觀形貌特征大致相同,為典型疲勞斷口,起始區(qū)和擴展區(qū)均較平坦,放射狀擴展花樣顯示,斷裂一側(cè)表面起裂后向?qū)?cè)擴展,擴展約1.1～1.5 mm后發(fā)生斜向瞬斷,1#、2#、3#斷口局部覆蓋暗灰色腐蝕產(chǎn)物,表明疲勞斷裂經(jīng)歷時間較長,其中1#、3#斷口源區(qū)位于表面壓痕處。2根未斷單線在較大彎扭應(yīng)力作用下,偏離原始導(dǎo)線纏繞軌跡,發(fā)生側(cè)向彎扭塑性變形[8]。宏觀形貌分析表明,導(dǎo)線在較大彎扭應(yīng)力作用下部分單線從應(yīng)力集中的表面壓痕處發(fā)生橫向疲勞斷裂。

圖1 斷裂電子元器件導(dǎo)線宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of broken electronic component wires

1.2 化學(xué)成分分析

從導(dǎo)線斷裂位置附近取樣,根據(jù)標準GB/T 5121.27-2008和GB/T 5121.1-2008對導(dǎo)線化學(xué)成分進行分析,分析結(jié)果如表1所示。表中同時列出了電子元器件用銅及銅合金導(dǎo)線規(guī)范對銅鎂導(dǎo)線化學(xué)成分規(guī)定要求?？梢娿~鎂導(dǎo)線材料化學(xué)成分符合標準規(guī)范要求。

表1 材料化學(xué)成分分析結(jié)果及規(guī)定要求Tab.1 Results of material chemical composition analysis and specified requirements

1.3 力學(xué)性能測試

從斷口附近截取導(dǎo)線及單線拉伸試樣,采用拉伸試驗機分別對其拉斷力和拉伸性能進行檢測,結(jié)果如表2所示。表中同時列出了電子元器件用銅及銅合金導(dǎo)線規(guī)范要求[9],測試過程中各試樣均在兩側(cè)夾持端斷裂,導(dǎo)線拉斷力和單線拉伸強度試驗值供參考,理論上而言,測量值略低于實際值[10]?？梢妼?dǎo)線拉斷力基本符合標準規(guī)范要求,單線抗拉強度較高。

表2 導(dǎo)線和單線的拉伸測試結(jié)果Tab.2 Tensile test results of conductor and single wire

根據(jù)GB/T 4340.1-2009標準測試了斷口起始區(qū)以及附近基體的顯微硬度,載荷100 g,結(jié)果如表3所示?？梢?源區(qū)和基體硬度相差不大。

表3 不同區(qū)域顯微硬度測試結(jié)果Tab.3 Microhardness test results in different areas

1.4 金相檢驗

截取1#斷口制備剖面金相試樣,在金相顯微鏡下觀察到組織形貌如圖2所示?？梢姅嗔哑鹪从诒砻鏅M向壓痕缺陷處,從與附近其他缺陷尺寸(寬約0.6 mm,深度80～100 μm)對比分析來看,源區(qū)位置(距壓痕邊緣約0.4 mm)大致位于壓痕底部。源區(qū)和擴展區(qū)斷口表層有輕微變形,瞬斷區(qū)可見明顯斜向剪切形變[11]。材料內(nèi)部組織較均勻,源區(qū)壓痕、附近其他壓痕、附近基體組織均呈纖維狀,為典型大拉拔形變后組織形態(tài)[12],靠近心部局部可見縱向拉伸晶粒。

圖2 1#斷口剖面金相形貌Fig.2 Metallographic appearance of fracture section of sample 1#

1.5 表面微觀形貌分析

用掃描電鏡觀察到1#、2#、3#斷口附近表面微觀形貌如圖3所示。1#、3#源區(qū)斷口附近表面橫向壓痕輪廓呈橢圓形,其中長軸(橫向)最大約1.4 mm,短軸(縱向)最大約0.7 mm;2#斷口附近表面發(fā)現(xiàn)縱向纏繞擠壓痕,在源區(qū)附近擠壓痕寬度(橫向)約0.4 mm。壓痕缺陷表面可見細密磨痕,未見大尺寸異常腐蝕,僅3#斷口附近表面觀察到小腐蝕坑,腐蝕產(chǎn)物含O、Cu、Al、Si、S等。

圖3 源區(qū)斷口附近壓痕表面形貌Fig.3 Surface morphology of indentation near the fracture in the source area

1.6 斷口形貌和能譜分析

用掃描電鏡觀察單線斷口微觀形貌如圖4所示。1#、2#、3#、4#和5#試樣各斷口微觀形貌特征大致相同,均從表面起裂并向?qū)?cè)擴展,選取具有代表性的1#試樣進行斷口形貌觀察和能譜分析。其中1#斷口起始表面橫向壓痕,源區(qū)附近未見明顯腐蝕和大尺寸的夾雜缺陷;擴展區(qū)斷口磨損嚴重,斷口上發(fā)現(xiàn)較清晰的與疲勞擴展方向垂直的疲勞輝紋;瞬斷區(qū)均為韌窩狀剪切斜斷口。斷口上局部發(fā)現(xiàn)有腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物中主要含其中Cu、O、Si、S、Cl等。

圖4 1#斷口形貌和能譜分析Fig.4 Fracture morphology and energy spectrum analysis of sample 1#

2 討論與結(jié)論

電子元器件導(dǎo)線的部分單線表面局部分布有不同尺寸橫向壓痕,不符合電子元器件用銅及銅合金導(dǎo)線規(guī)范要求。電子元器件導(dǎo)線整體在彎扭應(yīng)力作用下,各單線外側(cè)表面承受較大軸向拉應(yīng)力,從各斷裂單線分布相對位置分析,受力大小依次為1#>2#>3#>5#>4#。單線在拉應(yīng)力作用下,極易在表面橫向壓痕處發(fā)生應(yīng)力集中,疲勞裂紋優(yōu)先從受力較大單線的壓痕缺陷處起始,并順著彎扭應(yīng)力方向擴展一定距離后斜向剪切瞬斷。

電子元器件表面橫向壓痕是誘發(fā)導(dǎo)線斷裂的重要原因,在實際應(yīng)用過程中,應(yīng)該注意對電子元器件的外部進行保護,以免由于磕碰、擠壓等在導(dǎo)線外表面形成損傷,當表面損傷達到一定深度、寬度后會在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中,在應(yīng)力集中處容易萌生裂紋并在外力作用下逐漸擴展,當外部環(huán)境中有周期性往復(fù)載荷作用時,形成疲勞裂紋擴展;當裂紋擴展到導(dǎo)線剩余面積無法承受需求載荷時,導(dǎo)線會發(fā)生瞬間斷裂而造成失效。