撥碼開關觸點腐蝕失效分析與預防

0   引言

撥碼開關是實現(xiàn)多流路選擇性開關的電子器件，以實現(xiàn)電路板整板功能、邏輯、工作模式等的選擇、切換。由于它結構簡單，體積小，性能穩(wěn)定，在家用電器等行業(yè)應用廣泛。

目前，空調主板常用撥碼開關一般為小型貼片器件^[1]，由撥鍵（連接簧片、動觸點）、安裝蓋、基座（安裝靜觸點引腳）構成（圖1）。其中，簧片動觸點鍍金以獲得較低的電接觸阻抗。若使用純度99.9% 以上黃金鍍層（ASTM B488[2] 中Type III），其惰性層不會被氧化。但由于撥碼開關簧片的動觸點需要在靜觸點上彈性摩擦，因此需選擇ASTM B488 中Type I-C（純度99.7%、硬度（130~200）HK25）、Type II 等。在黃金鍍層^[2] 中加入微量的“硬化劑”，如鎳、鈷等。如硬化劑含量控制、電鍍閉孔工藝及鍍層厚度控制等出現(xiàn)異常，就會出現(xiàn)簧片動觸點鍍金層腐蝕，造成器件接觸不良、通信異常等失效。

圖1 撥碼開關實物與結構示意圖

本次失效件集中在我司2017 年新引進的YG 品牌撥碼開關，售后使用一段時間后出現(xiàn)多單投訴，整機呈現(xiàn)“不制熱”、“不制冷”、“主板無法工作”、“無法開機”等。拆解多個失效件，發(fā)現(xiàn)簧片動觸點、引腳靜觸點均存在腐蝕（圖2），主要集中在撥碼狀態(tài)時動、靜觸點接觸位置。

圖2 動、靜觸點腐蝕失效位置

1   失效案例統(tǒng)計

對失效案例數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并按撥碼開關物料品牌、編碼、安裝省份、使用（出廠）時間等進行統(tǒng)計，查找規(guī)律。

按品牌、編碼統(tǒng)計：故障件91.4% 集中在2017 年新引進的某品牌YG。因所有編碼均為多家品牌同時供應，故按編碼統(tǒng)計無明顯規(guī)律。

按安裝省份統(tǒng)計：沿海省份居多（圖3）, 而各省安裝數(shù)據(jù)無顯著差異，分析與沿海城市的潮濕環(huán)境相關。按使用（出廠）時間進行統(tǒng)計：使用Minitab：統(tǒng)計→可靠性/ 生存→分布分析→分布ID 圖，對分布特征進行極大似然估計。發(fā)現(xiàn)按使用時間統(tǒng)計，分布相關系數(shù)吻合度AD 值（0~1）過低, 無法擬合。按出廠時間統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)威布爾分布的相關系數(shù)吻合度AD 值達到0.725（良好，見圖4）。證明空調存儲和使用過程中的環(huán)境因素均會造成腐蝕。

圖3 撥碼開關失效按安裝省份統(tǒng)計

圖4 撥碼開關失效按出廠時間的分布估計

2   理化檢驗

2.1 宏觀及X-ray檢測

售后多個失效件，外觀宏觀檢驗無異常（圖5），X-ray 檢測內部簧片無變形異常（圖6），拆解發(fā)現(xiàn)簧片動觸點、引腳靜觸點均存在腐蝕（圖2）。

圖5 外觀檢測

圖6 X-ray檢測內部簧片

2.2 化學成分分析

分別取不同品牌的庫存制品、售后失效品的動、靜觸點使用EDX 能譜儀進行化學成分對比分析，結果見表1。

由表1 可見，品牌YG 和JC 的庫存樣品表面無氧元素。而售后樣品均檢測到氧元素。其中，YG 樣品氧含量遠高于JC，氧化程度更為嚴重。

YG 樣品的金、鎳元素含量分別明顯低、高于JC。因EDX 能譜穿透深度在微米級別，可間接說明鍍金層厚度在該數(shù)量級且YG 品牌較JC 偏低，并存在硬化劑（鎳）添加過多^[2] 造成污染（難于閉孔）問題。

2.2 鍍金層厚度測定

為進一步確認不同品牌鍍金層差異，分別取庫存制品使用X-ray 熒光鍍層測厚儀進行對比分析，結果見表2。

表2 結果印證YG 品牌動、靜觸點的鍍金厚度不及JC 品牌，且不符合ASTM B488^[2] 標準推薦的耐蝕鍍金層厚度要求：（8±1）μm。

3   鹽霧試驗及結果

3.1 試驗方案

為確認不同品牌產(chǎn)品耐腐蝕能力差異，各取庫存制品120 件，進行對比鹽霧試驗。具體方案策劃如表3。

其中，中性與酸性鹽霧試驗條件保證方法：依據(jù)GB/T 2423.17[3] 在保證氯化鈉濃度的前提下，使用鹽酸或者氫氧化鈉調節(jié)pH 值。中性鹽霧pH 值在6.5~7.2，酸性鹽霧pH 值在2.7~3.2。

3.2 試驗結果

試驗前及72、144、192 h 后，用清潔的水沖洗、除盡表面殘留的試驗溶液（或固態(tài)鹽）后干燥，在頻率為1 kHz 的微小電流（100 mA）下用直流低電阻儀測試接觸電阻（圖7）, 應小于50 mΩ。

（a）中性-YG-未撥碼

（b）酸性-YG-未撥碼

（c）中性-YG-撥碼

（d）酸性-YG-撥碼

（a）中性-YC-未撥碼

（b）酸性-YC-未撥碼

（c）中性-YC-撥碼

（d）酸性-YC-撥碼

圖7 鹽霧試驗后接觸電阻盒圖

可見，鹽霧試驗后接觸電阻中位數(shù)、波動（盒體高度）逐步提升。進行到72~144 h，YG 品牌制品逐步出現(xiàn)接觸電阻超標。192 h 后，YG 廠家異常比例明顯較高，尤其是酸性- 撥碼狀態(tài)達83.3%，分布特征類似售后威布爾（呈現(xiàn)偏態(tài)）。其中，撥碼和未撥碼的狀態(tài)相比，相同廠家、相同試驗時間，撥碼狀態(tài)腐蝕后接觸電阻箱體變高、波動加劇、超標比例升高，且離群異常點較多，這與售后集中在撥碼狀態(tài)失效吻合。

4   結論

撥碼開關售后接觸不良導致空調功能失效，失效機理為動、靜觸點接觸位置鍍金層腐蝕。故障品集中為某品牌YG 供應，且按出廠時間統(tǒng)計呈現(xiàn)威布爾分布，結合故障發(fā)生省份、出廠時間統(tǒng)計，證明失效受存儲和使用環(huán)境腐蝕氣氛影響。

YG、YC 品牌的撥碼開關，存在失效分布、Au 層厚度及硬化劑含量控制、電鍍閉孔率等工藝控制等差異。經(jīng)對比鹽霧試驗確認了失效機理、不同品牌失效率差異。因儲存及客戶使用環(huán)境不可改變，結合ASTM B488^[2]、GB/T 2423.17[3] 及檢測與試驗數(shù)據(jù)，制定了鍍Au層厚度、硬化劑含量、鹽霧試驗等標準，嚴格控制后未再出現(xiàn)觸點腐蝕導致空調功能失效現(xiàn)象。

參考文獻：

[1] QJ 12.10.511.撥檔開關、撥碼開關設計規(guī)范[S].廣東省珠海市:珠海格力電器股份有限公司,2019.

[2] ASTM B488.01-2011.工程用鍍金標準[S].美國賓夕法尼亞州:國際材料試驗學會，2011.

[3] GB/T 2423.17-2008.電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 第2部分:試驗方法試驗Ka:鹽霧[S].北京:中國標準出版社,2008.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）