ZrO2氧傳感器封接料開裂失效分析及改進

劉智敏，秦 浩，王洋洋，周明軍，郝玉芳

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

氧化鋯(ZrO2)氧傳感器是基于高溫條件下氧離子電導和氣體擴散機制的組合，具有極限電流的特性，其輸出與氧氣濃度成比例[1～3]。該類傳感器具有測量范圍廣、測量精度高，不需要參比氣體可直接以電壓 (或電流) 形式輸出，環境適應性強等特點[4～7]，廣泛應用于環保、材料、化工、冶金、能源、宇航等領域[8]。近年來，隨著交付用戶的ZrO2氧傳感器數量不斷增多，使用中傳感器出現失效的情況頻發，本文對傳感器使用中頻繁出現的封接料開裂失效模式進行機理分析，提出了改進措施,并進行了改進試驗驗證。

1 傳感器失效現象及原因分析

ZrO2氧傳感器交付用戶后，在某分系統電測中，6只傳感器中發現有2只編號為4#和5#的產品出現輸出異常故障。4#產品故障現象表現為輸出超差，顯示數據為4.58 V，實際值應為2.09 V；5#產品故障現象表現為輸出超差至限幅，顯示數據為5.572 V，實際值應為2.09 V。傳感器返回后，對傳感器進行了復測，故障保持。

顯微鏡觀察傳感器芯體側面封接料有開裂，其中5#產品裂紋較大，在40倍顯微鏡下即可觀察，4#產品裂紋較小，在100倍掃描電鏡(SEM)下觀察可見。觀察結果如圖1所示。經過觀察2只傳感器最大開裂位置相同，均在封接料引出線側面開裂。

對斷裂面用SEM(130倍)觀察檢查發現，開裂處封接料尺寸較窄，屬于耐應力最弱的部位。如圖2所示。通過對失效產品觀察，失效原因均為傳感器封接料本體斷裂。

圖2 傳感器封接料斷裂面狀態

2 失效機理分析

2.1 傳感器結構

傳感器是由加熱片和ZrO2片采用玻璃封接料封接而成的中空圓片結構，如圖3所示。

圖3 傳感器結構示意

2.2 封接料開裂機理

傳感器主體結構材料為陶瓷和玻璃封接料等脆性材料，在溫度變化劇烈的情況下,由于熱脹冷縮，導致材料內部產生應力，當應力達到或超過抗拉應力時，易使材料產生碎裂。

在材料導熱系數固定的情況下，通過減小尺寸、統一線脹系數和加熱體均勻分布等設計實現傳感器較小的溫度梯度，使其在通電和工作過程中保持內應力在抗拉應力之下。目前使用的設計材料中，由于采用了4mol氧化釔穩定的ZrO2陶瓷，其抗拉強度較玻璃封接料的抗拉強度高。由于傳感器屬于高溫400～500 ℃的工作模式，在傳感器啟動過程中能夠產生較大的溫沖，不同材料間的熱脹冷縮會形成交變熱應力，如圖4所示。

經過仿真分析，得出了在通電初期，芯體升溫前的應力分布狀態，如圖5所示。分析的結果表明了在傳感器固支結構邊緣產生了最大的交變熱應力，這種熱應力傳遞到了封接料表面，對封接料造成熱應力。

圖5 傳感器通電初期應變分布情況

基于以上分析，傳感器封接料開裂的的失效機理為封接料在交變熱應力條件下產生疲勞開裂。

3 傳感器改進措施與驗證

3.1 改進措施

提出了對傳感器的加熱電路增加預熱功能，使傳感器在啟動過程中減小熱應力沖擊程度。圖6為增加預熱功能的加熱電路，圖中U2,Q2,C3,Z2,R2,R3,R5構成低加熱電壓保持電路。U2為觸發器40106；Q2為三極管3DK104D；C3為鉭電容器CAK—25 V—33 μF；Z2為穩壓二極管ZW53；R2,R3,R5為調試電阻器。

圖6 具有預熱功能的加熱電路

對電路改進前后傳感器熱應力情況進行了仿真分析，仿真結果如圖7所示。

圖7 電路改進前后傳感器熱應力情況仿真分析

由圖7可知，電路改進前后傳感器所受的應力分別為1.728，1.054 kPa。電路改進后，傳感器的應力明顯下降，降低幅度約為40 %。

3.2 傳感器改進措施驗證

采用圖6電路可以實現傳感器加熱電壓的分段提高，降低了一次性加電產生的過高溫度沖擊。

該電路經過延時電路延時規定的時間后，三極管導通，輸出正常的加熱電壓，導通前，由于電阻器Rt1.2的作用，加熱電壓可以維持在1.2～2.0V之間的數值。表1說明了分段加熱時加熱器溫度變化情況。

表1 分段加熱功率和溫度變化比較

選擇同批次產品中與故障產品外形狀態接近的3只樣品，編號為015#,016#和017#進行試驗，試驗過程與開裂產品一致。

傳感器加熱電路增加預熱電路后，傳感器進行了276次(與開裂產品啟動次數一致)的啟動熱應力試驗。試驗完畢的樣品，顯微鏡鏡檢觀察封接料未見可見裂紋。傳感器再次進行熱啟動應力試驗，試驗次數為200次，試驗后，顯微鏡鏡檢觀察封接料，未見可見裂紋。

仿真分析和實際測試結果表明：分段式加熱電路可以有效實現傳感器溫度均勻分布，降低了熱應力沖擊強度。

4 結 論

對ZrO2氧傳感器封接料開裂失效機理進行分析，傳感器封接料開裂的失效機理為封接料在交變熱應力條件下產生疲勞開裂。針對該機理提出了在傳感器加熱電路上增加預熱功能，通過仿真和試驗的方法驗證了改進措施的有效性。仿真分析結果表明，溫度變化幅度為200 ℃時的應力狀態，溫度變化400 ℃時的應力降低幅度約為40 %。試驗驗證表明：傳感器在進行了576次熱應力試驗后，封接料狀態良好，未開裂，表明加熱電路增加預熱功能后降低了熱應力沖擊強度，可以有效避免傳感器在使用中出現封接料開裂這一故障。

參考文獻:

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