謝???傅加平
蘇州海關(guān)綜合技術(shù)中心 江蘇蘇州 215104
隨著社會發(fā)展,家用電器等電器電子產(chǎn)品已深度應(yīng)用到生產(chǎn)生活中的方方面面,保有量巨大,給生態(tài)環(huán)境和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。據(jù)工信部有關(guān)數(shù)據(jù),至2020年度我國空調(diào)、電冰箱等5種主要家電的報(bào)廢量將超20億臺。循環(huán)經(jīng)濟(jì)背景下,人們通過追求增加產(chǎn)品價(jià)值、優(yōu)化資源利用和減少環(huán)境影響實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),需要有檢測手段對電器電子零部件剩余壽命進(jìn)行有效評估,并上升到標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)層面。這對政府產(chǎn)業(yè)政策制定、產(chǎn)品廢舊屬性鑒定、產(chǎn)品循環(huán)制造的市場準(zhǔn)入等都具有重要意義。
目前,我國國家標(biāo)準(zhǔn)已對機(jī)械零件剩余壽命評估給出了指南方法,GB/T 34631-2017《再制造 機(jī)械零件剩余壽命評估指南》標(biāo)準(zhǔn)中將機(jī)械零件分為材料級、零件級、部件級、整機(jī)級四個(gè)檢測層次,采用應(yīng)力應(yīng)變電測、X射線衍射殘余應(yīng)力測試等方法對剩余壽命進(jìn)行評估,但對電器電子產(chǎn)品的剩余壽命評估方法暫時(shí)還是空白。
圖1 批量產(chǎn)品失效浴盆原理曲線
圖2 個(gè)體樣品失效漸變曲線
如圖1、圖2,宏觀上對批量產(chǎn)品的生命周期評估時(shí),一般服從于浴盆原理曲線;而對某一個(gè)體產(chǎn)品評估時(shí),特別是微觀狀態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)出漸變的特點(diǎn),電器電子產(chǎn)品的失效是一個(gè)漸變過程,在不同壽命時(shí)期的微觀觀察中,材料或元器件會呈現(xiàn)出漸變退化中的不同形態(tài)。電器電子產(chǎn)品的失效原因分為材料和元器件兩大類,失效機(jī)理類型有:熱致失效、機(jī)械失效、電化學(xué)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)相關(guān)缺陷,避免那些未掌握使用監(jiān)測數(shù)據(jù)但剩余壽命已接近損耗失效期的產(chǎn)品流入再制造或循環(huán)利用市場。
對電器電子產(chǎn)品進(jìn)行剩余壽命評估目前主要有預(yù)測和檢測兩類方法,具體要素見表1。
表1 預(yù)測和檢測方法比較
理論模型預(yù)測的方法多用于高可靠、長壽命、高價(jià)值的產(chǎn)品,這些產(chǎn)品難以通過試驗(yàn)獲得失效數(shù)據(jù)或壽命數(shù)據(jù),同時(shí)這類產(chǎn)品在研制、定型試驗(yàn)、存儲使用過程中積累了一些反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和性能的監(jiān)檢測數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)包含了豐富的關(guān)于設(shè)備剩余使用壽命的相關(guān)信息。機(jī)理定壽模型適用于判斷產(chǎn)品剩余壽命需要充分的監(jiān)檢測數(shù)據(jù)的情況。同時(shí)由于模型建立和數(shù)學(xué)處理方法復(fù)雜,大多數(shù)機(jī)械制造或電器電子行業(yè),尤其對前期數(shù)據(jù)較缺乏的特定批次或樣品的判斷沒有優(yōu)勢。特別在政府監(jiān)管、檢驗(yàn)鑒定領(lǐng)域,在大批量快速決斷需求的要求下,實(shí)證的結(jié)果更為重要,這時(shí)檢測分析手段的應(yīng)用空間就比較大。
作者采用失效分析檢測方法(X-ray、切片檢測)對階梯使用時(shí)間的PCB板和元器件進(jìn)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(shí)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(jìn)口復(fù)印機(jī)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?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)承受220 V交流電和脈沖直流電的強(qiáng)弱電交變應(yīng)力,工作循環(huán)時(shí)間相似、制造工藝相同,同時(shí)應(yīng)力周期足夠長,有區(qū)分度。
圖3 階梯使用時(shí)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(jié)論,選取樣品的原則:
(1)在電器電子領(lǐng)域大量使用具有代表性;
(2)承受充分的各類主要應(yīng)力;
(3)工況相近,使用時(shí)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(jìn)行比較,是因?yàn)閄-ray具有無損、快速的特點(diǎn),適合大批量產(chǎn)品篩選。切片的方法在失效分析中應(yīng)用廣泛,同時(shí)引入Minilab等分析軟件,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,使結(jié)果更具可信度。
切片檢測方法的特點(diǎn)在于:
(1)結(jié)果直觀,能從微觀結(jié)構(gòu)變化中鎖定發(fā)現(xiàn)電器電子產(chǎn)品微裂紋、空洞、虛焊等缺陷,猶如醫(yī)學(xué)中的病理分析;
(2)樣品可溯性好,是一種靜態(tài)檢測方法,檢測時(shí)無須讓復(fù)雜的產(chǎn)品處于運(yùn)行狀態(tài);
(3)樣品應(yīng)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(diǎn)缺陷檢測。
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(fā)現(xiàn)X-ray檢測的圖譜中,樣品的元器件、焊接點(diǎn)、PCB板材料等隨著使用年限的變化,未發(fā)現(xiàn)明顯可分辨的差異。說明X-ray檢測方法,對電器電子產(chǎn)品,主要適用于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的制造缺陷,而非壽命或可靠性缺陷,這一點(diǎn)與機(jī)械零部件的疲勞或強(qiáng)度失效機(jī)理有所不同。
在切片試驗(yàn)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(jīng)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(xiàn)象,且16年使用年限的裂紋現(xiàn)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(fā)現(xiàn)微觀缺陷的樣品,后續(xù)選取一致性批量產(chǎn)品進(jìn)行溫濕度應(yīng)力的加速壽命試驗(yàn),強(qiáng)化晶格裂紋缺陷,使產(chǎn)品在較短時(shí)間內(nèi)失效,并呈現(xiàn)失效時(shí)間上的差異。通過上述觀察和試驗(yàn)結(jié)果證實(shí),微觀缺陷的程度與電器電子的使用壽命是存在關(guān)聯(lián)的。
一般使用情況下,電器電子產(chǎn)品零部件的微觀實(shí)質(zhì)變化會先于宏觀失效現(xiàn)象,不同檢測分析手段對零部件壽命缺陷的敏感程度區(qū)別很大,壽命缺陷與產(chǎn)品或零部件的使用狀態(tài)、生產(chǎn)工藝、失效類型等綜合因素相關(guān)。
部分失效分析檢測方法對電器電子產(chǎn)品零部件的壽命缺陷顯示出一定的辨識度,對相關(guān)零部件剩余壽命評估有重要參考價(jià)值。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34631-2017《再制造 機(jī)械零件剩余壽命評估指南》已經(jīng)對機(jī)械零件剩余壽命的評估準(zhǔn)則和檢測項(xiàng)目做出了規(guī)定。建議有關(guān)部門,在充分有效的試驗(yàn)和研究的基礎(chǔ)上,盡快針對電器電子零部件產(chǎn)品,制定壽命缺陷檢測方法指南及剩余壽命評估方法,并應(yīng)用于實(shí)際,這對電器電子有關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。作者相信,失效性分析檢測方法在該領(lǐng)域的應(yīng)用隨著理論和技術(shù)的發(fā)展必定會有越來越廣闊的空間。