電器電子產品零部件剩余壽命檢測技術探討

謝海俊 傅加平

蘇州海關綜合技術中心 江蘇蘇州 215104

1 引言

隨著社會發展，家用電器等電器電子產品已深度應用到生產生活中的方方面面，保有量巨大，給生態環境和循環經濟發展帶來了挑戰。據工信部有關數據，至2020年度我國空調、電冰箱等5種主要家電的報廢量將超20億臺。循環經濟背景下，人們通過追求增加產品價值、優化資源利用和減少環境影響實現可持續發展。要實現這些目標，需要有檢測手段對電器電子零部件剩余壽命進行有效評估，并上升到標準和法規層面。這對政府產業政策制定、產品廢舊屬性鑒定、產品循環制造的市場準入等都具有重要意義。

2 現狀和理論依據

目前，我國國家標準已對機械零件剩余壽命評估給出了指南方法，GB/T 34631-2017《再制造 機械零件剩余壽命評估指南》標準中將機械零件分為材料級、零件級、部件級、整機級四個檢測層次，采用應力應變電測、X射線衍射殘余應力測試等方法對剩余壽命進行評估，但對電器電子產品的剩余壽命評估方法暫時還是空白。

圖1 批量產品失效浴盆原理曲線

圖2 個體樣品失效漸變曲線

如圖1、圖2，宏觀上對批量產品的生命周期評估時，一般服從于浴盆原理曲線；而對某一個體產品評估時，特別是微觀狀態指標呈現出漸變的特點，電器電子產品的失效是一個漸變過程，在不同壽命時期的微觀觀察中，材料或元器件會呈現出漸變退化中的不同形態。電器電子產品的失效原因分為材料和元器件兩大類，失效機理類型有：熱致失效、機械失效、電化學失效、靜電放電失效等，上述失效都有相對確定的微觀缺陷。如裂紋、導電離子污染物引起的橋連、錫須、枝晶生長等。

我們可以探討通過檢測手段發現相關缺陷，避免那些未掌握使用監測數據但剩余壽命已接近損耗失效期的產品流入再制造或循環利用市場。

對電器電子產品進行剩余壽命評估目前主要有預測和檢測兩類方法，具體要素見表1。

表1 預測和檢測方法比較

理論模型預測的方法多用于高可靠、長壽命、高價值的產品，這些產品難以通過試驗獲得失效數據或壽命數據，同時這類產品在研制、定型試驗、存儲使用過程中積累了一些反映設備運行狀態和性能的監檢測數據，這些數據包含了豐富的關于設備剩余使用壽命的相關信息。機理定壽模型適用于判斷產品剩余壽命需要充分的監檢測數據的情況。同時由于模型建立和數學處理方法復雜，大多數機械制造或電器電子行業，尤其對前期數據較缺乏的特定批次或樣品的判斷沒有優勢。特別在政府監管、檢驗鑒定領域，在大批量快速決斷需求的要求下，實證的結果更為重要，這時檢測分析手段的應用空間就比較大。

3 試驗設計

作者采用失效分析檢測方法（X-ray、切片檢測）對階梯使用時間的PCB板和元器件進行了分析。樣品為可編程控制器的電源輸入模塊，如圖3，使用時間分別為2年、10年、16年。該三件樣品來源于用于再制造的進口復印機上的輸入電源模塊，由美國羅克韋爾自動化有限公司制造。選擇這三件樣品，主要是因為它們同時承受220 V交流電和脈沖直流電的強弱電交變應力，工作循環時間相似、制造工藝相同，同時應力周期足夠長，有區分度。

圖3 階梯使用時間的樣品

照片為部分X-Ray檢測、切片檢測的典型可編程控制器樣品（制樣前），為便于比較和得出結論，選取樣品的原則：

（1）在電器電子領域大量使用具有代表性；

（2）承受充分的各類主要應力；

（3）工況相近，使用時間分布合理；

（4）材料、制造工藝相同（如PCB基板材料、貼片工藝、焊料組分等）。

選擇X-Ray、切片檢測進行比較，是因為X-ray具有無損、快速的特點，適合大批量產品篩選。切片的方法在失效分析中應用廣泛，同時引入Minilab等分析軟件，對試驗數據進行分析，使結果更具可信度。

切片檢測方法的特點在于：

（1）結果直觀，能從微觀結構變化中鎖定發現電器電子產品微裂紋、空洞、虛焊等缺陷，猶如醫學中的病理分析；

（2）樣品可溯性好，是一種靜態檢測方法，檢測時無須讓復雜的產品處于運行狀態；

（3）樣品應用面廣，檢測成本和周期可控，可廣泛檢測PCB材料、元器件、焊點缺陷檢測。

4 檢測發現

上述樣品通過X-ray檢測的圖譜如圖4所示。

圖4 檢測樣品圖譜

檢測發現X-ray檢測的圖譜中，樣品的元器件、焊接點、PCB板材料等隨著使用年限的變化，未發現明顯可分辨的差異。說明X-ray檢測方法，對電器電子產品，主要適用于發現產品的制造缺陷，而非壽命或可靠性缺陷，這一點與機械零部件的疲勞或強度失效機理有所不同。

在切片試驗中，我們選取上述樣品的元器件、PCB板、連接件部位的縱切面制取樣品，樣品及檢測儀器如圖5、圖6所示。

圖5 樹脂固封拋光后樣品及典型樣品局部圖

圖6 能譜分析儀

經儀器放大觀察，使用年限為10年、16年的樣品連接件焊接部位均存在焊錫晶格裂紋現象，且16年使用年限的裂紋現象更為明顯，微觀圖片如圖7所示。

圖7 10年、16年使用年限樣品晶格裂紋

對發現微觀缺陷的樣品，后續選取一致性批量產品進行溫濕度應力的加速壽命試驗，強化晶格裂紋缺陷，使產品在較短時間內失效，并呈現失效時間上的差異。通過上述觀察和試驗結果證實，微觀缺陷的程度與電器電子的使用壽命是存在關聯的。

5 結論

一般使用情況下，電器電子產品零部件的微觀實質變化會先于宏觀失效現象，不同檢測分析手段對零部件壽命缺陷的敏感程度區別很大，壽命缺陷與產品或零部件的使用狀態、生產工藝、失效類型等綜合因素相關。

部分失效分析檢測方法對電器電子產品零部件的壽命缺陷顯示出一定的辨識度，對相關零部件剩余壽命評估有重要參考價值。國家標準GB/T 34631-2017《再制造 機械零件剩余壽命評估指南》已經對機械零件剩余壽命的評估準則和檢測項目做出了規定。建議有關部門，在充分有效的試驗和研究的基礎上，盡快針對電器電子零部件產品，制定壽命缺陷檢測方法指南及剩余壽命評估方法，并應用于實際，這對電器電子有關產業發展和循環經濟具有重要的現實意義。作者相信，失效性分析檢測方法在該領域的應用隨著理論和技術的發展必定會有越來越廣闊的空間。