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，它是能量儲存和傳輸?shù)闹匾考涫⒅苯佑绊戦_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題長期存在，國內(nèi)外學(xué)者對此進行了較多的研究，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)。本工作對售后高頻變壓器的引腳腐蝕現(xiàn)象進行了調(diào)查統(tǒng)計，總結(jié)了其失效模式，并在不同環(huán)境中對不同引腳材料的高頻變壓器進行腐蝕模擬試驗，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 理化檢驗與結(jié)果

1.1 腐蝕形貌與產(chǎn)物

通過對高頻變壓器腐蝕失效現(xiàn)象的調(diào)查與統(tǒng)計發(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)量分數(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，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，目前我國華中地區(qū)已成為污染范圍最大、中心強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。以下試驗分別驗證了弱酸環(huán)境和中性鹽環(huán)境對引腳腐蝕的影響。

(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

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，對故障件與引腳鍍層完好的高頻變壓器樣品進行酸霧試驗和鹽霧試驗。酸霧和鹽霧分別為2%(質(zhì)量分數(shù))H2SO4弱酸性溶液和5%(質(zhì)量分數(shù))NaCl溶液，試驗溫度為40 ℃,試驗時間分別為48、96、192 h。試驗后觀察高頻變壓器引腳的腐蝕形貌。

1.2.1 酸霧試驗

引腳鍍層破損的高頻變壓器在酸霧環(huán)境中放置一段時間后，其引腳的表面形貌變化如圖2所示。由圖2可見，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；隨著放置時間延長，銹斑逐漸從破損處向其他方向延伸，這是因為鍍層破損處引腳發(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)境中放置一段時間后，漆包線與焊錫交界處先出現(xiàn)銅綠，隨著放置時間延長，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。這是因為在漆包線與焊錫交界處，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，直接影響引腳的焊接性能導(dǎo)致其失效。

1.2.2 鹽霧試驗

引腳鍍層破損的高頻變壓器在鹽霧環(huán)境中放置一段時間后，其引腳的表面形貌如圖4所示。由圖4可見，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；隨著放置時間的延長，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,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，在潮濕或酸性環(huán)境中，鍍錫層破損處裸露的鐵會發(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層后，在上述酸霧及鹽霧試驗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層可有效提高引腳耐腐蝕性能。