高頻變壓器引腳電化學(xué)腐蝕失效分析與可靠性研究

摘要：為了適應(yīng)電器設(shè)備的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源電路憑借良好的性能得到了廣泛應(yīng)用，高頻變壓器作為開(kāi)關(guān)電源電路的重要組成器件，決定了開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量。高頻變壓器在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)引腳腐蝕故障失效，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源電路不能正常通電工作。本文通過(guò)分析高頻變壓器引腳腐蝕的失效機(jī)理，通過(guò)對(duì)高頻變壓器引腳加錫防護(hù)，更改引腳材質(zhì)，以及涂抹三防膠處理進(jìn)行整改，使其防護(hù)更加可靠，杜絕了引腳腐蝕斷線故障，提高產(chǎn)品的應(yīng)用可靠性。

作者簡(jiǎn)介：項(xiàng)永金（1986—），男，中級(jí)工程師，主要研究方向：電子元器件失效分析及可靠性研究。

0   引言

隨著科技的發(fā)展，電器設(shè)備使用越來(lái)越廣泛，功能越來(lái)越強(qiáng)大，體積也越來(lái)越小，對(duì)電源模塊的要求不斷增加。開(kāi)關(guān)電源具有效率高、成本低及體積小的特點(diǎn)，在電氣設(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用。在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，磁性元件的性能非常重要，而高頻變壓器恰恰是離線式變換開(kāi)關(guān)電源中重要的磁性元件。高頻變壓器引腳腐蝕失效，導(dǎo)致電器電源部分不能正常通電，因此研究其失效機(jī)理非常重要。

1   事件背景

在實(shí)際應(yīng)用中，使用高頻變壓器的家用空調(diào)外機(jī)控制器故障失效突出，其主要故障為引腳腐蝕，分析失效數(shù)據(jù)，實(shí)際使用失效時(shí)間并不集中，失效均集中在初級(jí)線圈。

2   失效原因及失效機(jī)理分析

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，高頻變壓器長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境下工作，受外界環(huán)境腐蝕物質(zhì)以及高頻變壓器本身制造差異影響，在初級(jí)端高電壓作用下，引腳及銅線產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，造成初級(jí)端引腳及銅線腐蝕生銹，嚴(yán)重的導(dǎo)致斷線。高頻變壓器引腳腐蝕如圖1 所示，引腳與銅線焊接結(jié)合處嚴(yán)重腐蝕發(fā)綠。

圖1 失效樣品外觀圖

2.1 引腳腐蝕失效模式分析

其失效模式主要存在以下兩種：①引腳腐蝕；②銅線彎折，錫與銅的交界處銅引線腐蝕。

2.1.1 引腳腐蝕

如圖2 所示，高頻變壓器引腳鍍層下部腐蝕嚴(yán)重，從銹的顏色看，應(yīng)屬于內(nèi)部鐵引腳發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象。而腐蝕部位以上的引腳鍍層完好，這是由于高頻變壓器焊接到PCB 板上后，上部引腳鍍層被大量焊錫覆蓋，其鍍層保存完好。

圖2 失效樣品引腳外觀圖

實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，不同廠家、不同批次的高頻變壓器均出現(xiàn)引腳氧化腐蝕生銹現(xiàn)象，導(dǎo)致輸入與輸出電壓不穩(wěn)定，對(duì)后邊的電路器件造成損傷。

2.1.2 銅線彎折處，錫與銅的交界位置銅引線腐蝕

高頻變壓器引腳無(wú)腐蝕，但漆包線引線彎折處鍍錫層被腐蝕破壞、漆包線絕緣皮破損，銅線被腐蝕并生成銅綠（即銅銹），導(dǎo)致銅線斷裂，腐蝕嚴(yán)重的導(dǎo)致銅線絕緣漆內(nèi)部無(wú)銅存在，如圖3 所示。

圖3 引腳腐蝕斷造成斷線圖

2.2 失效品成分測(cè)試

2.2.1 PCB板殘留物EDX元素測(cè)試

針對(duì)售后失效樣件PCB 上的藍(lán)色殘留物進(jìn)行EDX元素測(cè)試分析，如圖4 所示，測(cè)試結(jié)果顯示PCB 板不同位置殘留物測(cè)試結(jié)果中均顯示有硫（S）元素。

圖4 EDX元素測(cè)試

2.2.2 電鏡能譜掃描

對(duì)銅引線腐蝕的高頻變壓器進(jìn)行電鏡能譜掃描測(cè)試，如圖5 所示，對(duì)腐蝕處EDS 元素掃描結(jié)果可知，有微量的異常元素硫（S）存在。

圖5 銅引線腐蝕處電鏡能譜掃描

2.2.3 骨架元素測(cè)試

骨架材料為電木，如圖6 所示，經(jīng)電鏡測(cè)試該材料中不含有硫等異常元素，可排除骨架材料對(duì)漆包線的腐蝕作用。

圖6 骨架材料電鏡能譜掃描

2.2.4 絕緣漆成分測(cè)試

通過(guò)對(duì)比測(cè)試漆包線絕緣漆，如圖7 所示，各廠家漆包線絕緣漆成分基本一致，且不同時(shí)期差異不大。

圖7 骨架材料電鏡能譜掃描

2.2.5 絕緣漆厚度測(cè)試

對(duì)各廠家物料不同生產(chǎn)日期制品絕緣漆厚度進(jìn)行測(cè)試，如表1 所示，各廠家漆包線絕緣漆厚度不同時(shí)期存在小量波動(dòng)，B 廠家絕緣漆厚度波動(dòng)稍大些，整體差異不大。

2.3 根據(jù)現(xiàn)象及測(cè)試結(jié)果分析

EDX 對(duì)PCB 主板殘留物元素成分測(cè)試結(jié)果顯示有硫元素存在，而硫元素在一般性腐蝕過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。

硫元素在自然界中以硫化物或單質(zhì)的形式存在。如果空氣含有的SO2 成分較高，在潮濕環(huán)境中SO2 會(huì)與H2O 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成亞硫酸H2SO3，經(jīng)過(guò)氧化作用亞硫酸H2SO3 會(huì)變成硫酸H2SO4，酸雨的形成過(guò)程就是這樣。經(jīng)查閱相關(guān)資料，目前我國(guó)華中地區(qū)已成為全國(guó)酸雨污染范圍最大，強(qiáng)度最高的酸雨污染區(qū)，西南地區(qū)、華東沿海地區(qū)次之。這次復(fù)核到高頻變壓器引腳腐蝕現(xiàn)象的主要地區(qū)為華中地區(qū)。結(jié)合高頻變壓器引腳腐蝕的圖片，分析引腳腐蝕現(xiàn)象為鐵鍍錫引腳在酸性電解液（潮濕狀態(tài)）中構(gòu)成原電池電化學(xué)腐蝕引起。另外，加上使用過(guò)程中的高電壓通電狀態(tài)，腐蝕速度會(huì)加快。

2.3.1 鐵引腳鍍錫結(jié)構(gòu)的電化學(xué)分析

對(duì)于鐵引腳鍍錫這種結(jié)構(gòu)，從電化學(xué)角度看，理論上鍍錫層并不能夠有效保護(hù)鐵基材不受腐蝕。Fe/Fe2+的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.440 V，Sn/Sn2+ 的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.136 V，即Fe 的電極電位比Sn的低，構(gòu)成原電池后，鐵會(huì)優(yōu)先被腐蝕。所以當(dāng)鍍錫層質(zhì)量不高（有孔隙或裂紋）時(shí)，鐵引腳比較容易發(fā)生腐蝕生銹現(xiàn)象。在引腳鍍?chǔ)蘭層表面質(zhì)量不高或鍍層部分地方偏薄情況下，引腳處在酸性環(huán)境中一定時(shí)間后內(nèi)部鐵基材暴露出，F(xiàn)e 與Sn 在酸性潮濕環(huán)境中構(gòu)成電化學(xué)腐蝕，F(xiàn)e 的電極電位比Sn的低，構(gòu)成原電池后，鐵優(yōu)先發(fā)生腐蝕，出現(xiàn)高頻變壓器引腳腐蝕現(xiàn)象。

2.3.2 引線彎折處銅線的腐蝕

銅與錫在硫的酸性化境中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，銅線彎折處的特點(diǎn)是鍍錫層薄，處于錫與銅的交界處。從對(duì)腐蝕處EDS元素掃描結(jié)果來(lái)看，發(fā)現(xiàn)有微量的硫異常元素。硫的酸性化合物（如H2SO3 或H2SO4）在潮濕環(huán)境下將引線彎折處較薄的鍍錫層腐蝕破壞（Sn 可與H2SO4反應(yīng)生成可溶性的Sn4+ 鹽），使錫層表面產(chǎn)生孔隙或裂紋（裂紋的產(chǎn)生也有可能是由于錫膏在快速冷卻后收縮，在彎折處產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂），錫層被破壞后，濕氣會(huì)接觸到內(nèi)部的裸銅線（銅線表面的絕緣漆已被高溫錫膏熔掉）。此時(shí)，錫（Sn）與銅（Cu）在潮濕環(huán)境下構(gòu)成原電池，發(fā)生化學(xué)腐蝕反應(yīng)。Sn/Sn2+ 的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.136 V，Cu/Cu2+ 的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為+0.337 V，即Sn 的電極電位比Cu 的低，構(gòu)成原電池后，Sn 會(huì)優(yōu)先被腐蝕。Sn 被腐蝕掉時(shí)，被氧化成可溶性Sn4+ 鹽，造成鍍錫層被破壞的程度大大增加。露出來(lái)的裸銅在潮濕環(huán)境中發(fā)生腐蝕產(chǎn)生銅綠：Cu 在CO2、O2、H2O 存在的條件下發(fā)生緩慢氧化，Cu+CO2+O2+H2O—Cu（OH）2CO3，即銅綠（銹），即銅被腐蝕掉，從而造成銅線斷裂。

3   實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

對(duì)高頻變壓器引腳進(jìn)行耐腐蝕性實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)稀硫酸處理的高頻變壓器引腳腐蝕嚴(yán)重。硫單質(zhì)、助焊劑對(duì)高頻變壓器引腳的腐蝕影響較小；

2）經(jīng)稀硫酸、硫單質(zhì)、助焊劑、漆膜破損處理的高頻變壓器銅引線彎折處銅線未發(fā)生明顯腐蝕現(xiàn)象；

3）經(jīng)鹽霧試驗(yàn)驗(yàn)證，高頻變壓器引腳、漆包線都出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)腐蝕程度越發(fā)嚴(yán)重。

3.1 潮態(tài)實(shí)驗(yàn)

條件：取高頻變壓器5 個(gè)樣品，在銅線彎折處滴加少許稀硫酸，將錫與銅的交界處絕緣漆破壞，對(duì)比樣品的潮態(tài)試驗(yàn)（前360 h 條件為：溫度40 ℃，濕度93%，360 h 之后條件：溫度60 ℃、濕度95%）。潮態(tài)1 266 h 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1）未經(jīng)任何特殊處理的樣品，未發(fā)生明顯變化；

2）經(jīng)助焊劑后樣品，如圖8 所示，引腳極輕微腐蝕；

3）漆膜破損后樣品，如圖8 所示，引腳極輕微腐蝕；

圖8 引腳極輕微腐蝕

4）經(jīng)少許硫處理后樣品，引腳有輕微腐蝕；

5）經(jīng)稀硫酸處理后樣品，如圖9 所示，引腳腐蝕嚴(yán)重。

圖9 引腳嚴(yán)重腐蝕

3.2 鹽霧實(shí)驗(yàn)

條件：取高頻變壓器樣品6 個(gè)，焊接在使用的PCB上，然后按正常使用狀態(tài)放置在溫度（35±2）℃、Nacl 濃度5%、pH 值6.5 ～ 7.2 環(huán)境中，每隔24 h 將試樣在高倍顯微鏡下觀察1 次，記錄引腳和漆包線的變化情況。

鹽霧144 h 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖10，漆包線已出現(xiàn)明顯腐蝕，表層漆膜出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，在引腳與漆包線焊接位置冒出腐蝕產(chǎn)物。

圖10 鹽霧試驗(yàn)引腳腐蝕

4   影響高頻變壓器腐蝕的失效因素分析

4.1 應(yīng)用電路高電壓影響

開(kāi)關(guān)電源電路在電源中使用最為廣泛，以空調(diào)變頻電源為例，輸出電壓通常有15 V、12 V、5 V，功率13 ～ 15 W。如圖11 所示，高頻變壓器主要是對(duì)直流電壓進(jìn)行降壓。腐蝕故障失效多集中在初級(jí)線圈1、2 腳，電壓較高，在310 V 左右，當(dāng)PFC 電路開(kāi)啟后，線圈施加電壓更高，高電壓會(huì)加速線圈腐蝕的速度。

圖11 高頻變壓器應(yīng)用電路圖

4.2 應(yīng)用環(huán)境與時(shí)間影響

失效數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，失效均在外機(jī)變頻空調(diào)控制器主板，內(nèi)機(jī)并無(wú)失效，主要是外機(jī)裝在室外，使用環(huán)境較惡劣，溫濕度差別較大，主要是溫度、濕度較高，且水汽、灰塵等其他腐蝕性物質(zhì)較多。由于受外機(jī)整機(jī)運(yùn)行環(huán)境影響，腐蝕物質(zhì)侵入會(huì)加快引腳腐蝕失效。統(tǒng)計(jì)失效數(shù)據(jù)，失效集中在使用2~5 a 生產(chǎn)機(jī)器，普遍使用時(shí)間比較長(zhǎng)，腐蝕是一個(gè)逐漸的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

4.3 彎折處漆包線絕緣皮破損

彎折處是錫與銅的交界處，如圖12 所示，在焊接過(guò)程中，受高溫錫膏影響，交界處銅線表面絕緣漆也可能被熔掉，部分銅線暴露于環(huán)境中，使得銅與錫在潮濕環(huán)境中構(gòu)成原電池化學(xué)腐蝕。

圖12 彎折處錫與銅交界

4.3.1 銅引出線拉得較緊，銅線在彎折處受力較大。

如引線拉得較緊，銅線在彎折處受到骨架的作用力較大，長(zhǎng)時(shí)間受力后，在腐蝕條件作用下會(huì)加速其斷裂。

4.3.2 彎折處銅線受高溫錫膏影響可能會(huì)發(fā)生咬銅現(xiàn)象

在浸錫過(guò)程中，高溫錫膏會(huì)將引腳漆包線上的絕緣漆熔掉外，內(nèi)部銅線受高溫錫膏影響發(fā)生咬銅現(xiàn)象，使銅線直徑變小，銅線自身的抗拉能力下降，彎折處在骨架長(zhǎng)期作用力下，銅線發(fā)生斷裂。

4.3.3 漆包線絕緣漆成分及厚度變化

漆包線絕緣漆成分及厚度發(fā)生明顯變化，引線耐的耐腐蝕性也會(huì)受到影響。

4.3.4 漆包線本身的耐腐蝕性能

在生產(chǎn)過(guò)程中，噴到引腳及引線上的凡立水、稀釋劑、助焊劑，或后期漆包線吸水受潮，其耐腐蝕性會(huì)受到影響。

5   失效解決方案

在高頻變壓器生產(chǎn)過(guò)程中，廠家通過(guò)引進(jìn)全自動(dòng)線圈焊接設(shè)備可解決人工焊接對(duì)引腳的損傷，在一定程度上降低對(duì)引腳鍍層的損傷，降低不良發(fā)生概率。另外，通過(guò)對(duì)引腳與銅線結(jié)合處加錫處理，增加橫截面積，有助于提高可靠性。

以上整改可以在一定程度上降低腐蝕發(fā)生概率。由于此應(yīng)用中外機(jī)環(huán)境等其他特殊因素影響，不能完全杜絕高頻變壓器腐蝕故障的發(fā)生。為了有效整改，特制定以下三個(gè)整改方案，其中試驗(yàn)驗(yàn)證方案1 是最優(yōu)防護(hù)方式，方案2 與方案3 次之。

5.1 方案1：涂抹三防膠

對(duì)高頻變壓器外漏漆包線部分涂抹三防膠處理，三防膠具有突出的“防潮”、“防鹽霧”、“絕緣”性能；在潮濕環(huán)境中其膜層仍不失其良好介電性能；有較強(qiáng)的耐氧化性和抗老化性。

5.2 方案2：涂油漆處理

對(duì)高頻變壓器外漏漆包線部分涂油漆處理，油漆具有良好的“絕緣”性能以及耐腐蝕性能，能在一定條件下固化成絕緣膜或絕緣整體。產(chǎn)品采用真空含浸，含浸到骨架擋板位置（二次焊錫時(shí)將骨架擋板上的絕緣油清除），擋板以下的針腳及產(chǎn)品用絕緣油覆蓋，可以增強(qiáng)產(chǎn)品的整體絕緣能力，改善產(chǎn)品針腳的腐蝕問(wèn)題。

5.3 方案3：改變引腳材質(zhì)

將引腳使用的CP 線（鍍錫銅包鋼鍍鎳底，其基材為“鋼”）改為磷青銅材質(zhì)，磷青銅具有良好的導(dǎo)電性能，比銅材質(zhì)抗氧化性能更好。從電化學(xué)角度看，鍍錫引腳Cu/Cu2+ 的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為+0.337 V，Sn/Sn2+ 的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.136 V，即Sn 的電極電位比Cu 的低，構(gòu)成原電池后，Sn 為陽(yáng)極，Cu 為陰極，Cu 會(huì)受到電化學(xué)保護(hù)，磷青銅材質(zhì)引腳的耐腐蝕性會(huì)得到較大提高。各方案實(shí)驗(yàn)對(duì)比，提供的涂三防漆樣品、涂油漆樣品、磷青銅材質(zhì)引腳，對(duì)引線與鍍錫層處均做稀硫酸處理，在60 ℃，濕度95% 條件下做潮態(tài)試驗(yàn)，288 h 后結(jié)果如下。

1）涂三防膠：如圖13 所示，只有引腳極個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)極輕微腐蝕；

圖13 涂三防膠鹽霧試驗(yàn)

2）涂油漆：如圖14 所示，引腳有輕微腐蝕；

3）磷青銅材質(zhì)引腳：如圖13 所示，引腳有輕微腐蝕。

圖14 涂油漆、磷青銅材質(zhì)鹽霧試驗(yàn)

綜合對(duì)比3 個(gè)方案，涂三防膠及涂油漆，控制器生產(chǎn)過(guò)程中不好操作，由高頻變壓器生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)高頻變壓器外漏漆包線部分涂三防漆保護(hù)，由于工藝不良容易造成引腳殘留，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)組裝中控制器出現(xiàn)引腳上錫不良，廠家生產(chǎn)過(guò)程管控難度較大。現(xiàn)改變引腳材質(zhì)方案，并通過(guò)結(jié)合點(diǎn)加錫處理，可以杜絕腐蝕故障發(fā)生，整改相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用效果顯著。

6   失效整改總結(jié)及意義

隨著時(shí)代的發(fā)展，電源越來(lái)越小型化，開(kāi)關(guān)電源電路可靠性問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻。作為開(kāi)關(guān)電源電路的重要器件，高頻變壓器易出現(xiàn)引腳腐蝕失效。分析失效原因發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品制造工藝不良以及使用環(huán)境、應(yīng)用電路等多個(gè)因素均會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)故障。本文對(duì)高頻變壓器引腳腐蝕的失效機(jī)理、失效因素等多方面進(jìn)行分析，通過(guò)改變引腳材質(zhì)，對(duì)引腳進(jìn)行加錫處理以及涂抹三防膠，顯著提高了高頻變壓器引腳抗腐蝕的能力，售后整改效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郗亮.高頻變壓器發(fā)展的研究[J].通信電源技術(shù),2018(3):237-238.

[2] 段富良,王梅.銅基上化學(xué)鍍錫工藝分析[J].云南化工,2017(6):76-78.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）