電子元器件失效的化學成分檢測分析及預防措施

李世航，薛晶晶，2

(1.延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000；2.陜西省能源大數據智能處理省市共建實驗室，陜西 延安 716000)

電子元器件是電子元件和小型的機器、儀器的組成部分[1]。日常生活中電子元器件無處不在，已與人們的學習、生活和工作息息相關，常見的電子元器件包括：機電元件、連接器、半導體、集成電路、電子化學材料及部品等[2]。可見，電子元器件在日常生活中發揮了重要的作用，因此，在電子元器件質量方面有嚴格的管控和認證措施，包括中國的CQC認證、歐盟的CE認證，德國的VDE和TUV認證等[3]，目的就是要保證電子元器件的質量，從而避免在實際使用過程中發生由于電子元器件失效而產生的事故[4-6]。某電子元器件中的定位線夾在使用2年后發生斷裂，需要通過對斷裂失效件進行宏觀及微觀斷口分析、產物成分分析和金相分析等，分析線夾開裂原因，并提出有效地預防措施，減少或避免同類事故再次發生。

1 材料與試驗方法

從發生斷裂的電子元器件的定位線夾上取樣，采用電感耦合等離子發射光譜法測得其主要元素具體如表1所示。

表1 化學成分分析結果及標準規定對照Tab.1 Comparison of chemical composition analysis results and standards (%)

由表1可知，根據設計和使用要求，電子元器件的定位線夾材質為CuNi2Si定位線夾。對比分析可以發現，發生斷裂的定位線夾試樣中各元素含量均在規定范圍內。

斷裂試樣的宏觀形貌采用華為P40手機進行拍攝；斷口形貌采用S-4800型場發射掃描電子顯微鏡進行觀察，局部區域的成分分析采用附帶能譜儀進行半定量；切取斷口附近和基體試樣，經過砂紙打磨、拋光和氯化鐵鹽酸溶液腐蝕后，在奧林巴斯GX51光學顯微鏡上觀察金相組織。

2 檢測與分析

2.1 宏觀形貌

發生斷裂的定位線夾宏觀形貌如圖1所示。

(a)表面形貌-正面 (b)表面形貌-背面

從圖1可以看出，表面和斷口部分區域均發生腐蝕，呈黑褐色。斷口擴展花樣表明，裂紋起始于螺栓孔與內表面交界的棱邊，沿圖中白色箭頭所指方向擴展。裂紋源區腐蝕比較嚴重，隨著裂紋向內擴展，斷口腐蝕程度依次減輕，瞬斷區位于外側，如圖1(c)所示，呈金屬色。裂紋擴展中沒有明顯的塑性變形，屬于脆性開裂[7]。

2.2 微觀形貌及能譜成分分析

圖2為電子元器件定位線夾斷口源區附近形貌和能譜分析結果。

(a)源區-低倍 (b)源區-高倍

從圖2(a)、(b)的斷口源區附近沿晶斷口形貌，局部可見覆蓋物存在；圖2(c)中可見高倍下沿晶形態以及覆蓋物將晶粒覆蓋；圖2(d)的能譜分析中可見這些覆蓋物主要由Cu、O、Al、Si元素組成，此外，還還有一定含量的S和Cl元素，這2種元素一般為腐蝕性介質元素，在定位線夾斷裂過程中會加速裂紋的擴展[8]。

圖3為電子元器件定位線夾擴展區形貌和能譜分析結果。

(a)低倍 (b)高倍

從圖3可以看出，掃描電鏡下，擴展區基本都為沿晶斷口形態，低倍下可見覆蓋物隨機分布在沿晶斷口上；高倍下可見沿晶斷口中的晶粒大小不等，較小的晶粒約在20 μm以下，晶粒邊界較為清晰。

圖4為電子元器件定位線夾斷口后斷區形貌結果。

圖4 電子元器件定位線夾斷口后斷區形貌Fig.4 Morphology of fracture area after fracture of positioning clamp of electronic components

從圖4可以看出，在電子元器件定位線夾斷裂后期，裂紋擴展速度較快，斷口中主要以撕裂冷和韌窩為主，呈韌性斷裂特征，表明電子元器件定位線夾自身的塑性較好[9]。

圖5為電子元器件定位線夾斷口源區附近側表面形貌和能譜分析結果。

(a)側表面低倍 (b)側表面高倍

從圖5可以看出，在電子元器件定位線夾斷口源區附近側表面覆蓋有致密的腐蝕產物，且可見較長的裂紋從源區附近延伸，裂紋寬度約在5 μm；高倍下可見裂紋內部也有顆粒狀覆蓋物，呈粉狀，表明這些裂紋形成的時間較早，腐蝕產物形成后在外力以及水分減少的情況下回發生粉化[10]。高倍局部形貌中可見主裂紋附近還可見多條分支微裂紋，且裂紋附近覆蓋物主要含Cu、O、Ni、Al元素，以及一定含量的S和Cl元素，這2種元素一般為腐蝕性介質元素。可見，斷口附近側表面覆蓋物與斷面覆蓋物的成分相近。

在掃描電鏡下觀察圖2～圖5斷口微觀形態并進行能譜分析，可以發現電子元器件定位線夾的起裂區和擴展區域均以沿晶斷口形態為主，大部分區域覆蓋腐蝕產物，能譜分析表明，產物成分中含有較高的C、O、Mg、Al、Si、Ca、Zn等，同時還分析出較高的S和少量Cl元素；外表側后斷區為韌窩斷口。線夾起裂區附近的內表面也存在多條微裂紋，裂紋附近均發生腐蝕，腐蝕產物成分中也含有S和Cl元素。斷口分析表明，線夾在含有S、Cl潮濕性腐蝕介質和應力共同作用下發生了沿晶應力腐蝕開裂[11]。

2.3 金相組織

垂直于裂紋制取內表面金相試樣，檢驗金相組織，形態如圖6所示。

(a)源區裂紋區 (b)孔內壁

圖6分別列出了源區裂紋區、孔內壁、外表面側和基體的金相組織，從圖6可以看出，定位線夾內表面、孔壁表層和外表面表層組織中均存在腐蝕坑和細小沿晶微裂紋，主裂紋以沿晶方式向內擴展，裂紋附近組織與基體組織基本一致，均為奧氏體晶粒組織，參照GB/T6394—2017[12]評定晶粒度級別，為8.0～6.0級。

進一步采用掃描電鏡對裂紋源區附近裂紋剖面進行形貌觀察和局部能譜分析，結果如圖7所示。

(a)SEM形貌(b)能譜分析

從圖7可以看出，源區附近裂紋被腐蝕產物所填充，表明這些腐蝕產物形成時間較早；此外，裂紋呈曲折狀，與沿晶裂紋擴展形態保持一致；能譜分析表明，裂紋內產物成分中也含有S、Cl元素，這與斷口表面、源區附近側表面分析結果一致，這也說明在裂紋擴展過程中，外力和S、Cl元素共同作用造成定位線夾發生了應力腐蝕開裂[13]。

2.4 硬度分析

在斷口附近位置( 斷口邊部至心部每間隔0.5 mm)制取橫截面硬度試樣進行顯微維氏硬度測試，加載載荷為50 g，保載時間為10 s，顯微硬度測量結果如表2所示。

表2 電子元器件定位線夾的顯微硬度(HV0.05)Tab.2 Microhardness of positioning clampof electronic components (HV0.05) HV

由表2可知，斷口附近邊部區域的硬度與內部基體相近，平均硬度為250 HV。

2.5 預防措施

從上述測試結果可知，電子元器件定位線夾是在含有S、Cl潮濕性腐蝕介質和應力共同作用下發生了沿晶應力腐蝕開裂。應力腐蝕開裂是應力和腐蝕介質共同作用的結果，腐蝕介質是電子元器件的應用環境，通常是不可選擇的，因此，主要影響電子元器件應力腐蝕的關鍵因素就是臨界應力[14]。造成電子元器件發生應力腐蝕開裂的臨界應力不僅與材料的自身屬性有關，還與外力大小有關，只有在高于一定應力水平條件下才能與腐蝕介質共同作用造成起裂，以及裂紋擴展，其中，應力腐蝕斷裂部位通常不存在均勻腐蝕，斷裂往往以點蝕、縫隙腐蝕為起點，從接觸介質的金屬表面發生，往深處發展[15]。因此，起裂位置往往是發生應力腐蝕的薄弱區域，如尖角、凹坑等應力集中處。

從發生應力腐蝕機理角度來看，要想避免電子元器件等在外力存在的作用下發生應力腐蝕，可以從以下幾個方面著手：(1)盡可能降低電子元器件使用過程中的外加應力；(2)在可行的情況下隔離腐蝕介質，或加緩蝕劑等各種手段來防止應力腐蝕的產生；(3)電子元器件邊角處盡可能地保證加工精度，避免尖角、凹坑等應力集中位置的出現；(4)使用前采取一些消除殘余應力的手段；(5)對電子元器件進行表面改性處理增強耐腐蝕、耐磨性能等。

3 結語

(1)發生斷裂的電子元器件定位線夾的化學成分符合標準對CuNi2Si材料的要求；

(2)電子元器件定位線夾的起裂區和擴展區域均以沿晶斷口形態為主，大部分區域覆蓋腐蝕產物，能譜分析表明，產物成分中含有較高的C、O、Mg、Al、Si、Ca、Zn等，同時還分析出較高的S和少量Cl元素。

(3)定位線夾內表面、孔壁表層和外表面表層組織中均存在腐蝕坑和細小沿晶微裂紋，主裂紋以沿晶方式向內擴展，裂紋附近組織與基體組織基本一致，均為奧氏體晶粒組織。剖面顯微組織觀察結果表明，裂紋內產物成分中也含有S、Cl元素，這與斷口表面、源區附近側表面分析結果一致。