聚碳酸酯電源鈕斷裂原因

彭 博,陳梓鈞,唐雁煌,徐煥翔,劉子蓮,朱 剛

(工業和信息化部電子第五研究所 元器件可靠性分析中心,廣州 510610)

電源鈕是實現整機開關機的重要零件，直接影響整機運行的安全性和可靠性。目前電源鈕失效分析的研究主要集中在可靠性的研究，即在多種應力環境下通過對正常的按鈕開關進行壽命測試，判斷按鈕開關在服役環境下的潛在薄弱點，進而指導材料生產工藝的改進[1-2]。如蔡懿等[1]對正常的照明按鈕開關進行了鹽霧、電壽命、機械壽命和動作特性等試驗，指出了導致照明按鈕開關容易失效的工藝問題和材料缺陷等，并為提高按鈕開關可靠性提出了改進建議。但是從故障歸零的角度出發，通過分析斷裂的電源鈕來研究已經存在的失效問題，并對此提出改進意見的相關研究報道較少。

圖1 電源鈕宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of power button

電源鈕宏觀形貌如圖1所示，材料為聚碳酸酯(PC)，在內側涂覆潤滑劑后，通過電源鈕上的卡槽卡住機板上的電源開關，并通過滑動實現整機的開關機。故障機器無法開機，經檢查后發現，電源鈕出現批次性斷裂失效，且隨著時間的延長，電源鈕的失效比例逐漸增加。為找到電源鈕在使用過程中批量斷裂的原因，筆者對其進行了檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 斷口宏觀和微觀形貌分析

使用SMZ-100型體視顯微鏡對斷裂電源鈕進行宏觀觀察，如圖2所示。可見斷裂電源鈕在長邊頂部發生斷裂，短邊側面的根部發生開裂，斷口處未見明顯塑性變形，整體表現為脆性斷裂特征，同時，在電源鈕表面發現有油狀物質。

圖2 斷裂電源鈕宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of broken power button:a) front of power button; b) fracture position of long side of power button; c) cracking position of short side of power button;d) side of power button; e) oily substance on the surface of power button

通過S-4300型掃描電鏡(SEM)對斷裂電源鈕的長邊頂部斷裂位置及短邊側面的開裂位置進行觀察，如圖3所示。可見斷口平滑，有放射狀條紋，脆性斷裂特征明顯。

圖3 斷裂電源鈕SEM形貌Fig.3 SEM morphology of broken power button:a) fracture position at the top of long side;b) cracking position of short side root

1.2 紅外分析

根據GB/T 6040—2019《紅外光譜分析方法通則》的技術要求，采用Tensor27型顯微紅外光譜分析儀對斷裂電源鈕材料的成分進行分析，并與聚碳酸酯(PC)+丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)標準圖譜進行對比，如圖4所示。圖中2 216 cm-1處為氰基特征峰，967 cm-1處為丁二烯中碳碳雙鍵特征峰，699 cm-1處為單取代苯乙烯特征峰，斷裂電源鈕的紅外圖譜特征峰與標準的吻合較好，表明該電源鈕的成分中含有ABS[3-4]；同時，ABS吸收峰相對較弱，表明ABS含量較少。綜上，判斷此斷裂電源鈕的有機主成分為PC，同時含有少量ABS。

圖5 斷裂電源鈕斷口上的油狀物質、潤滑劑及標準硅油的紅外圖譜Fig.5 Infrared spectrum of the oily substance on the fractureof broken power button,lubricant and standard silicone oil

通過傅里葉紅外光譜儀(FTIR)對斷口油狀物質和潤滑劑的主要成分進行分析，并與硅油的標準紅外圖譜進行對比，如圖5所示。可見斷口位置油狀物質的FTIR譜與硅油的高度吻合，說明斷口上的油狀物質為硅油。

1.3 氣相色譜-質譜聯用分析

為了確定潤滑劑揮發物的成分，根據GB/T 6040—2019的技術要求，采用Agilent 6890N+5975C型氣相色譜質譜聯用儀對潤滑劑的揮發物進行氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)分析，結果表明潤滑劑可揮發物中含有99.2%(質量分數，下同)的3,3-二氯-1,1,1,2,2-五氟丙烷，0.3%的三氯甲烷及0.5%的有機硅。

1.4 彎曲性能測試

為進一步分析潤滑劑對電源鈕的影響，取6只未使用過的電源鈕，將其中3只電源鈕浸入潤滑劑中放置48 h，根據GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測定》的技術要求，采用CMT4204型微機控制電子萬能試驗機對電源鈕進行彎曲強度測試。未浸過潤滑劑的電源鈕彎曲時承受的最大力為158.0 N，浸過潤滑劑后的電源鈕彎曲時承受的最大力為95.8 N，可以發現浸過潤滑劑后的電源鈕彎曲時承受的最大力明顯降低。表明潤滑劑的滲入會導致電源鈕的彎曲強度大幅度下降。

2 分析與討論

紅外分析結果表明斷裂電源鈕材料的成分為PC加少量ABS，而廠家提供的電源鈕材料成分為PC，斷裂電源鈕材料實測的成分與廠家提供的不一致。由于PC具有較高的拉伸強度及彎曲強度，ABS的加入可提高其加工性能和抗沖擊性能，但也會在一定程度上降低其彎曲強度及拉伸強度[5-6]。該電源鈕引入ABS含量較低，所以彎曲強度和拉伸強度的降低幅度較小，但如果還存在其他影響力學性能的因素，電源鈕將很容易發生斷裂。

PC對鹵代烴(如四氯化碳等)較敏感，在鹵代烴的作用下會發生溶脹甚至是應力開裂[7-11]。斷裂電源鈕的長邊頂部和短邊側面發生脆性斷裂，同時在斷裂電源鈕表面出現含有潤滑劑成分的油狀物質。經了解，廠家在裝配電源鈕時會在內側涂覆潤滑劑，紅外和GC-MS分析結果表明，涂覆的潤滑劑中除含有硅油的成分外，還含有低沸點的三氯甲烷和3,3-二氯-1,1,2,2-五氟丙烷。作為鹵代烴的三氯甲烷和3,3-二氯-1,1,1,2,2-五氟丙烷，尤其是三氯甲烷對PC和ABS具有較強的溶蝕性，導致PC和ABS強度下降。彎曲試驗結果也表明電源鈕浸入潤滑劑后，彎曲強度降低。由于電源鈕的長邊頂部及短邊側面的根部是使用過程中的主要受力位置，當自身強度不足時將在這兩個位置處發生低應力脆斷。

3 結論及建議

電源鈕的斷裂模式為脆性斷裂，是因為電源鈕材料中含有少量的ABS，ABS會降低電源鈕的拉伸強度和彎曲強度，而含有鹵代烴的潤滑劑滲入電源鈕中，導致電源鈕的強度進一步降低，最后導致電源鈕發生低應力脆性斷裂。

建議嚴格控制電源鈕的材料，使同批次電源鈕的質量保持一致；對潤滑劑的有機成分進行測試，確保潤滑劑中無溶蝕性成分。