復雜環境下失效電子元器件的綜合檢測與原因分析

拓應全

（榆林職業技術學院，榆林 719000）

引言

電子元器件是電器、無線電、儀表等工業中的重要組成部件，隨著我國珠江三角洲、長江三角洲、環渤海灣地區和部分中西部地區的電子信息產業規模的不斷擴大，我國已形成了產業鏈較完整、具有相當的規模和配套能力的電子元器件產業集群[1]。雖然目前國內電子元件的產量已占全球的40 %左右，但是仍然存在著產品質量不過關、應用環節不規范等問題[2-5]，尤其是在復雜環境下，電子元器件的故障率明顯增多，而造成電子元器件失效的因素眾多，如果不從根本上找出造成電子元器件失效的原因，從而制定相應的預防措施[6-10]，電子元器件的故障將會持續出現，并影響整體部件的正常運行。本文選取有外來自然風、外界腐蝕介質等共同作用的復雜環境下的失效電子元器件為實驗對象，通過對失效電子元器件進行綜合檢測，找出了電子元器件的失效原因，并提出了相應的預防措施，結果有助于降低電子元器件的故障率并為同類型電子元器件的失效預防提供參考。

1 試驗材料與方法

目測失效電子元器件的故障部位為導線，從斷裂導線附近取樣，根據GB/T 5121.27-2008《銅及銅合金化學分析方法》和GB/T 5121.1-2008《銅及銅合金化學分析方法 第1部分:銅含量的測定》標準進行化學成分測試，結果如表1，表中同時列出了使用方提供的規范對銅鎂導線化學成分規定要求?？梢娛щ娮釉骷秀~鎂導線材料的化學成分符合規范要求。

表1 材料化學成分分析結果及規定要求（Wt，%）

斷裂導線的宏觀形貌采用華為P40手機進行拍攝；顯微硬度測試采用HVS-1000型數顯維氏硬度計進行，加載載荷100 g，保持荷載的時間設定為15 s；根據GBT 228-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》，在WEl000型液壓私服拉伸試驗機上進行；斷裂導線的拉伸斷口形貌采用TEScAN MIRA型場發射電鏡進行觀察，并用附帶能譜儀測試成分；采用線切割方法加工金相試樣，經過機械磨拋和腐蝕后，在萊卡DM6M型金相顯微鏡上觀察。

2 測試結果與分析

2.1 宏觀形貌

失效電子元器件中銅導線斷裂位置的斷裂銅導線的宏觀形貌如圖1所示，導線由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物，局部區域產物剝落裸露銅紅色金屬表面，未見大尺寸異常腐蝕。導線一端7根單線中5根發生橫向斷裂，各單線斷口編號如圖中標示，1#、3#、4#、5#斷口附近表面可觀察到規律分布的橫向壓痕，各壓痕間距約1.3 mm，此外2#和5#斷口附近（導線內側）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，起始區和擴展區均較平坦，放射狀擴展花樣顯示，斷裂一側表面起裂后向對側擴展[11]，擴展約1.1～1.5 mm后發生斜向瞬斷，1#、2#、3#斷口局部覆蓋暗灰色腐蝕產物表明疲勞斷裂經歷時間較長，其中1#、3#斷口源區位于表面壓痕處。2根未斷單線在較大彎扭應力作用下，偏離原始導線纏繞軌跡，發生側向彎扭塑性變形[12]。宏觀形貌分析表明，導線在較大彎扭應力作用下部分單線從應力集中的表面壓痕處發生橫向疲勞斷裂。

圖1 斷裂銅導線的宏觀形貌

2.2 斷口顯微形貌和能譜成分分析

斷裂銅導線的斷口和側表面形貌及能譜分析結果如圖2。由于各斷口微觀形貌特征大致相同，均從表面起裂并向對側擴展（如圖2（a）箭頭所示），因此選取有代表性的斷口進行特征分析。斷口源區附近局部發現有腐蝕產物，腐蝕產物中主要含cu、O、Si、S、cl等元素，源區附近未見明顯腐蝕和大尺寸的夾雜缺陷；擴展區斷口磨損嚴重，斷口上發現較清晰的與疲勞擴展方向垂直的疲勞輝紋（圖2（b））；后斷區均為韌窩狀剪切斜斷口。源區附近側表面可見深度和表面尺寸不等的顯微凹坑，凹坑附近存在微裂紋，局部可見腐蝕產物覆蓋層，腐蝕產物中主要含O、S、cl等。

圖2 斷裂銅導線的斷口和側表面形貌及能譜分析

2.3 金相組織

斷口源區附近的剖面金相組織如圖3。斷裂起源于表面橫向壓痕缺陷處，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，源區位置（距壓痕邊緣約0.4 mm）大致位于壓痕底部。源區和擴展區斷口表層有輕微變形，瞬斷區可見明顯斜向剪切形變。材料內部組織較均勻，源區壓痕、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，靠近心部局部可見縱向拉伸晶粒。

圖3 斷口源區附近的剖面金相組織

2.4 力學性能測試

根據GB/T 4340.1-2009標準[13]測試了斷口起始區以及附近基體的顯微硬度，結果如表2?？梢姡磪^和基體硬度相差不大。

表2 不同區域顯微硬度測試結果

從斷口附近截取導線及單線拉伸試樣，采用拉伸試驗機分別對其拉斷力和拉伸性能進行檢測，結果如表3，表中同時列出了規范要求?？梢妼Ь€拉斷力基本符合規范要求。

表3 電子元器件中導線的室溫拉伸測試結果

2.5 分析與討論

從上述綜合檢測結果可見，失效電子元器件中的導線已經發生斷裂，而導線的化學成分符合規范要求，斷口附近的硬度也與基體相當，導線的拉斷力約為20.17 kN，也符合規范要求，因此，從成分和力學性能上判斷，失效電子元器件中的導線的質量不存在明顯問題[14]。

從斷口和側表面形貌，以及剖面金相組織中可見，導線在較大彎扭應力作用下部分單線從應力集中的表面壓痕處發生橫向疲勞斷裂，源區附近側表面存在寬約0.6 mm、深度80～100 μm的壓痕，且疲勞裂紋源起始于壓痕部位，疲勞裂紋優先從受力較大單線的壓痕缺陷處起始，并順著彎扭應力方向擴展一定距離后斜向剪切瞬斷[15]。由此可見，導線外表面的壓痕的出現是造成導線斷裂的重要因素，在實際應用過程中，應該加強對外表面的檢查或者改善受力環境，避免電子元器件中的導線在使用過程中產生損傷。

3 結論

通過對失效電子元器件進行綜合檢測，得到如下結論：

1）失效電子元器件中銅鎂導線材料的化學成分符合規范要求。

2）電子元器件中導線部分的單線表面局部分布有不同尺寸橫向壓痕，不符合規范對單線表面無明顯損傷的要求。

3）電子元器件中導線整體在彎扭應力作用下，各單線外側表面承受較大軸向拉應力。單線在拉應力作用下，極易在表面橫向壓痕處發生應力集中，疲勞裂紋優先從受力較大單線的壓痕缺陷處起始，并順著彎扭應力方向擴展一定距離后斜向剪切瞬斷。