電子元器件失效的化學(xué)成分檢測分析及預(yù)防措施

李世航，薛晶晶，2

(1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000；2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建實驗室，陜西 延安 716000)

電子元器件是電子元件和小型的機(jī)器、儀器的組成部分[1]。日常生活中電子元器件無處不在，已與人們的學(xué)習(xí)、生活和工作息息相關(guān)，常見的電子元器件包括：機(jī)電元件、連接器、半導(dǎo)體、集成電路、電子化學(xué)材料及部品等[2]。可見，電子元器件在日常生活中發(fā)揮了重要的作用，因此，在電子元器件質(zhì)量方面有嚴(yán)格的管控和認(rèn)證措施，包括中國的CQC認(rèn)證、歐盟的CE認(rèn)證，德國的VDE和TUV認(rèn)證等[3]，目的就是要保證電子元器件的質(zhì)量，從而避免在實際使用過程中發(fā)生由于電子元器件失效而產(chǎn)生的事故[4-6]。某電子元器件中的定位線夾在使用2年后發(fā)生斷裂，需要通過對斷裂失效件進(jìn)行宏觀及微觀斷口分析、產(chǎn)物成分分析和金相分析等，分析線夾開裂原因，并提出有效地預(yù)防措施，減少或避免同類事故再次發(fā)生。

1 材料與試驗方法

從發(fā)生斷裂的電子元器件的定位線夾上取樣，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得其主要元素具體如表1所示。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對照Tab.1 Comparison of chemical composition analysis results and standards (%)

由表1可知，根據(jù)設(shè)計和使用要求，電子元器件的定位線夾材質(zhì)為CuNi2Si定位線夾。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生斷裂的定位線夾試樣中各元素含量均在規(guī)定范圍內(nèi)。

斷裂試樣的宏觀形貌采用華為P40手機(jī)進(jìn)行拍攝；斷口形貌采用S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，局部區(qū)域的成分分析采用附帶能譜儀進(jìn)行半定量；切取斷口附近和基體試樣，經(jīng)過砂紙打磨、拋光和氯化鐵鹽酸溶液腐蝕后，在奧林巴斯GX51光學(xué)顯微鏡上觀察金相組織。

2 檢測與分析

2.1 宏觀形貌

發(fā)生斷裂的定位線夾宏觀形貌如圖1所示。

(a)表面形貌-正面 (b)表面形貌-背面

從圖1可以看出，表面和斷口部分區(qū)域均發(fā)生腐蝕，呈黑褐色。斷口擴(kuò)展花樣表明，裂紋起始于螺栓孔與內(nèi)表面交界的棱邊，沿圖中白色箭頭所指方向擴(kuò)展。裂紋源區(qū)腐蝕比較嚴(yán)重，隨著裂紋向內(nèi)擴(kuò)展，斷口腐蝕程度依次減輕，瞬斷區(qū)位于外側(cè)，如圖1(c)所示，呈金屬色。裂紋擴(kuò)展中沒有明顯的塑性變形，屬于脆性開裂[7]。

2.2 微觀形貌及能譜成分分析

圖2為電子元器件定位線夾斷口源區(qū)附近形貌和能譜分析結(jié)果。

(a)源區(qū)-低倍 (b)源區(qū)-高倍

從圖2(a)、(b)的斷口源區(qū)附近沿晶斷口形貌，局部可見覆蓋物存在；圖2(c)中可見高倍下沿晶形態(tài)以及覆蓋物將晶粒覆蓋；圖2(d)的能譜分析中可見這些覆蓋物主要由Cu、O、Al、Si元素組成，此外，還還有一定含量的S和Cl元素，這2種元素一般為腐蝕性介質(zhì)元素，在定位線夾斷裂過程中會加速裂紋的擴(kuò)展[8]。

圖3為電子元器件定位線夾擴(kuò)展區(qū)形貌和能譜分析結(jié)果。

(a)低倍 (b)高倍

從圖3可以看出，掃描電鏡下，擴(kuò)展區(qū)基本都為沿晶斷口形態(tài)，低倍下可見覆蓋物隨機(jī)分布在沿晶斷口上；高倍下可見沿晶斷口中的晶粒大小不等，較小的晶粒約在20 μm以下，晶粒邊界較為清晰。

圖4為電子元器件定位線夾斷口后斷區(qū)形貌結(jié)果。

圖4 電子元器件定位線夾斷口后斷區(qū)形貌Fig.4 Morphology of fracture area after fracture of positioning clamp of electronic components

從圖4可以看出，在電子元器件定位線夾斷裂后期，裂紋擴(kuò)展速度較快，斷口中主要以撕裂冷和韌窩為主，呈韌性斷裂特征，表明電子元器件定位線夾自身的塑性較好[9]。

圖5為電子元器件定位線夾斷口源區(qū)附近側(cè)表面形貌和能譜分析結(jié)果。

(a)側(cè)表面低倍 (b)側(cè)表面高倍

從圖5可以看出，在電子元器件定位線夾斷口源區(qū)附近側(cè)表面覆蓋有致密的腐蝕產(chǎn)物，且可見較長的裂紋從源區(qū)附近延伸，裂紋寬度約在5 μm；高倍下可見裂紋內(nèi)部也有顆粒狀覆蓋物，呈粉狀，表明這些裂紋形成的時間較早，腐蝕產(chǎn)物形成后在外力以及水分減少的情況下回發(fā)生粉化[10]。高倍局部形貌中可見主裂紋附近還可見多條分支微裂紋，且裂紋附近覆蓋物主要含Cu、O、Ni、Al元素，以及一定含量的S和Cl元素，這2種元素一般為腐蝕性介質(zhì)元素?？梢?，斷口附近側(cè)表面覆蓋物與斷面覆蓋物的成分相近。

在掃描電鏡下觀察圖2～圖5斷口微觀形態(tài)并進(jìn)行能譜分析，可以發(fā)現(xiàn)電子元器件定位線夾的起裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)域均以沿晶斷口形態(tài)為主，大部分區(qū)域覆蓋腐蝕產(chǎn)物，能譜分析表明，產(chǎn)物成分中含有較高的C、O、Mg、Al、Si、Ca、Zn等，同時還分析出較高的S和少量Cl元素；外表側(cè)后斷區(qū)為韌窩斷口。線夾起裂區(qū)附近的內(nèi)表面也存在多條微裂紋，裂紋附近均發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物成分中也含有S和Cl元素。斷口分析表明，線夾在含有S、Cl潮濕性腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力共同作用下發(fā)生了沿晶應(yīng)力腐蝕開裂[11]。

2.3 金相組織

垂直于裂紋制取內(nèi)表面金相試樣，檢驗金相組織，形態(tài)如圖6所示。

(a)源區(qū)裂紋區(qū) (b)孔內(nèi)壁

圖6分別列出了源區(qū)裂紋區(qū)、孔內(nèi)壁、外表面?zhèn)群突w的金相組織，從圖6可以看出，定位線夾內(nèi)表面、孔壁表層和外表面表層組織中均存在腐蝕坑和細(xì)小沿晶微裂紋，主裂紋以沿晶方式向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋附近組織與基體組織基本一致，均為奧氏體晶粒組織，參照GB/T6394—2017[12]評定晶粒度級別，為8.0～6.0級。

進(jìn)一步采用掃描電鏡對裂紋源區(qū)附近裂紋剖面進(jìn)行形貌觀察和局部能譜分析，結(jié)果如圖7所示。

(a)SEM形貌(b)能譜分析

從圖7可以看出，源區(qū)附近裂紋被腐蝕產(chǎn)物所填充，表明這些腐蝕產(chǎn)物形成時間較早；此外，裂紋呈曲折狀，與沿晶裂紋擴(kuò)展形態(tài)保持一致；能譜分析表明，裂紋內(nèi)產(chǎn)物成分中也含有S、Cl元素，這與斷口表面、源區(qū)附近側(cè)表面分析結(jié)果一致，這也說明在裂紋擴(kuò)展過程中，外力和S、Cl元素共同作用造成定位線夾發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂[13]。

2.4 硬度分析

在斷口附近位置( 斷口邊部至心部每間隔0.5 mm)制取橫截面硬度試樣進(jìn)行顯微維氏硬度測試，加載載荷為50 g，保載時間為10 s，顯微硬度測量結(jié)果如表2所示。

表2 電子元器件定位線夾的顯微硬度(HV0.05)Tab.2 Microhardness of positioning clampof electronic components (HV0.05) HV

由表2可知，斷口附近邊部區(qū)域的硬度與內(nèi)部基體相近，平均硬度為250 HV。

2.5 預(yù)防措施

從上述測試結(jié)果可知，電子元器件定位線夾是在含有S、Cl潮濕性腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力共同作用下發(fā)生了沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕開裂是應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用的結(jié)果，腐蝕介質(zhì)是電子元器件的應(yīng)用環(huán)境，通常是不可選擇的，因此，主要影響電子元器件應(yīng)力腐蝕的關(guān)鍵因素就是臨界應(yīng)力[14]。造成電子元器件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力不僅與材料的自身屬性有關(guān)，還與外力大小有關(guān)，只有在高于一定應(yīng)力水平條件下才能與腐蝕介質(zhì)共同作用造成起裂，以及裂紋擴(kuò)展，其中，應(yīng)力腐蝕斷裂部位通常不存在均勻腐蝕，斷裂往往以點蝕、縫隙腐蝕為起點，從接觸介質(zhì)的金屬表面發(fā)生，往深處發(fā)展[15]。因此，起裂位置往往是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的薄弱區(qū)域，如尖角、凹坑等應(yīng)力集中處。

從發(fā)生應(yīng)力腐蝕機(jī)理角度來看，要想避免電子元器件等在外力存在的作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕，可以從以下幾個方面著手：(1)盡可能降低電子元器件使用過程中的外加應(yīng)力；(2)在可行的情況下隔離腐蝕介質(zhì)，或加緩蝕劑等各種手段來防止應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生；(3)電子元器件邊角處盡可能地保證加工精度，避免尖角、凹坑等應(yīng)力集中位置的出現(xiàn)；(4)使用前采取一些消除殘余應(yīng)力的手段；(5)對電子元器件進(jìn)行表面改性處理增強(qiáng)耐腐蝕、耐磨性能等。

3 結(jié)語

(1)發(fā)生斷裂的電子元器件定位線夾的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)對CuNi2Si材料的要求；

(2)電子元器件定位線夾的起裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)域均以沿晶斷口形態(tài)為主，大部分區(qū)域覆蓋腐蝕產(chǎn)物，能譜分析表明，產(chǎn)物成分中含有較高的C、O、Mg、Al、Si、Ca、Zn等，同時還分析出較高的S和少量Cl元素。

(3)定位線夾內(nèi)表面、孔壁表層和外表面表層組織中均存在腐蝕坑和細(xì)小沿晶微裂紋，主裂紋以沿晶方式向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋附近組織與基體組織基本一致，均為奧氏體晶粒組織。剖面顯微組織觀察結(jié)果表明，裂紋內(nèi)產(chǎn)物成分中也含有S、Cl元素，這與斷口表面、源區(qū)附近側(cè)表面分析結(jié)果一致。