拓應(yīng)全

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，榆林 719000）

引言

電子元器件是電器、無(wú)線電、儀表等工業(yè)中的重要組成部件，隨著我國(guó)珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲、環(huán)渤海灣地區(qū)和部分中西部地區(qū)的電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國(guó)已形成了產(chǎn)業(yè)鏈較完整、具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和配套能力的電子元器件產(chǎn)業(yè)集群[1]。雖然目前國(guó)內(nèi)電子元件的產(chǎn)量已占全球的40 %左右，但是仍然存在著產(chǎn)品質(zhì)量不過(guò)關(guān)、應(yīng)用環(huán)節(jié)不規(guī)范等問(wèn)題[2-5]，尤其是在復(fù)雜環(huán)境下，電子元器件的故障率明顯增多，而造成電子元器件失效的因素眾多，如果不從根本上找出造成電子元器件失效的原因，從而制定相應(yīng)的預(yù)防措施[6-10]，電子元器件的故障將會(huì)持續(xù)出現(xiàn)，并影響整體部件的正常運(yùn)行。本文選取有外來(lái)自然風(fēng)、外界腐蝕介質(zhì)等共同作用的復(fù)雜環(huán)境下的失效電子元器件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)失效電子元器件進(jìn)行綜合檢測(cè)，找出了電子元器件的失效原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，結(jié)果有助于降低電子元器件的故障率并為同類型電子元器件的失效預(yù)防提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

目測(cè)失效電子元器件的故障部位為導(dǎo)線，從斷裂導(dǎo)線附近取樣，根據(jù)GB/T 5121.27-2008《銅及銅合金化學(xué)分析方法》和GB/T 5121.1-2008《銅及銅合金化學(xué)分析方法 第1部分:銅含量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，結(jié)果如表1，表中同時(shí)列出了使用方提供的規(guī)范對(duì)銅鎂導(dǎo)線化學(xué)成分規(guī)定要求?？梢娛щ娮釉骷秀~鎂導(dǎo)線材料的化學(xué)成分符合規(guī)范要求。

表1 材料化學(xué)成分分析結(jié)果及規(guī)定要求（Wt，%）

斷裂導(dǎo)線的宏觀形貌采用華為P40手機(jī)進(jìn)行拍攝；顯微硬度測(cè)試采用HVS-1000型數(shù)顯維氏硬度計(jì)進(jìn)行，加載載荷100 g，保持荷載的時(shí)間設(shè)定為15 s；根據(jù)GBT 228-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》，在WEl000型液壓私服拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；斷裂導(dǎo)線的拉伸斷口形貌采用TEScAN MIRA型場(chǎng)發(fā)射電鏡進(jìn)行觀察，并用附帶能譜儀測(cè)試成分；采用線切割方法加工金相試樣，經(jīng)過(guò)機(jī)械磨拋和腐蝕后，在萊卡DM6M型金相顯微鏡上觀察。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

失效電子元器件中銅導(dǎo)線斷裂位置的斷裂銅導(dǎo)線的宏觀形貌如圖1所示，導(dǎo)線由7根單線纏繞而成，最大外徑約7.5 mm，單線直徑約2.5 mm，大部分表面覆蓋深灰色腐蝕產(chǎn)物，局部區(qū)域產(chǎn)物剝落裸露銅紅色金屬表面，未見大尺寸異常腐蝕。導(dǎo)線一端7根單線中5根發(fā)生橫向斷裂，各單線斷口編號(hào)如圖中標(biāo)示，1#、3#、4#、5#斷口附近表面可觀察到規(guī)律分布的橫向壓痕，各壓痕間距約1.3 mm，此外2#和5#斷口附近（導(dǎo)線內(nèi)側(cè)）還有纏繞擠壓痕。用毛刷刷洗后用體式顯微鏡對(duì)各單線斷口進(jìn)行檢查，各斷口宏觀形貌特征大致相同，為典型疲勞斷口，起始區(qū)和擴(kuò)展區(qū)均較平坦，放射狀擴(kuò)展花樣顯示，斷裂一側(cè)表面起裂后向?qū)?cè)擴(kuò)展[11]，擴(kuò)展約1.1～1.5 mm后發(fā)生斜向瞬斷，1#、2#、3#斷口局部覆蓋暗灰色腐蝕產(chǎn)物表明疲勞斷裂經(jīng)歷時(shí)間較長(zhǎng)，其中1#、3#斷口源區(qū)位于表面壓痕處。2根未斷單線在較大彎扭應(yīng)力作用下，偏離原始導(dǎo)線纏繞軌跡，發(fā)生側(cè)向彎扭塑性變形[12]。宏觀形貌分析表明，導(dǎo)線在較大彎扭應(yīng)力作用下部分單線從應(yīng)力集中的表面壓痕處發(fā)生橫向疲勞斷裂。

圖1 斷裂銅導(dǎo)線的宏觀形貌

2.2 斷口顯微形貌和能譜成分分析

斷裂銅導(dǎo)線的斷口和側(cè)表面形貌及能譜分析結(jié)果如圖2。由于各斷口微觀形貌特征大致相同，均從表面起裂并向?qū)?cè)擴(kuò)展（如圖2（a）箭頭所示），因此選取有代表性的斷口進(jìn)行特征分析。斷口源區(qū)附近局部發(fā)現(xiàn)有腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物中主要含cu、O、Si、S、cl等元素，源區(qū)附近未見明顯腐蝕和大尺寸的夾雜缺陷；擴(kuò)展區(qū)斷口磨損嚴(yán)重，斷口上發(fā)現(xiàn)較清晰的與疲勞擴(kuò)展方向垂直的疲勞輝紋（圖2（b））；后斷區(qū)均為韌窩狀剪切斜斷口。源區(qū)附近側(cè)表面可見深度和表面尺寸不等的顯微凹坑，凹坑附近存在微裂紋，局部可見腐蝕產(chǎn)物覆蓋層，腐蝕產(chǎn)物中主要含O、S、cl等。

圖2 斷裂銅導(dǎo)線的斷口和側(cè)表面形貌及能譜分析

2.3 金相組織

斷口源區(qū)附近的剖面金相組織如圖3。斷裂起源于表面橫向壓痕缺陷處，從與附近其他缺陷尺寸（寬約0.6 mm，深度80～100 μm）對(duì)比分析來(lái)看，源區(qū)位置（距壓痕邊緣約0.4 mm）大致位于壓痕底部。源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)斷口表層有輕微變形，瞬斷區(qū)可見明顯斜向剪切形變。材料內(nèi)部組織較均勻，源區(qū)壓痕、附近其他壓痕、附近基體組織均呈纖維狀，為典型大拉拔形變后組織形態(tài)，靠近心部局部可見縱向拉伸晶粒。

圖3 斷口源區(qū)附近的剖面金相組織

2.4 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 4340.1-2009標(biāo)準(zhǔn)[13]測(cè)試了斷口起始區(qū)以及附近基體的顯微硬度，結(jié)果如表2。可見，源區(qū)和基體硬度相差不大。

表2 不同區(qū)域顯微硬度測(cè)試結(jié)果

從斷口附近截取導(dǎo)線及單線拉伸試樣，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)其拉斷力和拉伸性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3，表中同時(shí)列出了規(guī)范要求?？梢妼?dǎo)線拉斷力基本符合規(guī)范要求。

表3 電子元器件中導(dǎo)線的室溫拉伸測(cè)試結(jié)果

2.5 分析與討論

從上述綜合檢測(cè)結(jié)果可見，失效電子元器件中的導(dǎo)線已經(jīng)發(fā)生斷裂，而導(dǎo)線的化學(xué)成分符合規(guī)范要求，斷口附近的硬度也與基體相當(dāng)，導(dǎo)線的拉斷力約為20.17 kN，也符合規(guī)范要求，因此，從成分和力學(xué)性能上判斷，失效電子元器件中的導(dǎo)線的質(zhì)量不存在明顯問(wèn)題[14]。

從斷口和側(cè)表面形貌，以及剖面金相組織中可見，導(dǎo)線在較大彎扭應(yīng)力作用下部分單線從應(yīng)力集中的表面壓痕處發(fā)生橫向疲勞斷裂，源區(qū)附近側(cè)表面存在寬約0.6 mm、深度80～100 μm的壓痕，且疲勞裂紋源起始于壓痕部位，疲勞裂紋優(yōu)先從受力較大單線的壓痕缺陷處起始，并順著彎扭應(yīng)力方向擴(kuò)展一定距離后斜向剪切瞬斷[15]。由此可見，導(dǎo)線外表面的壓痕的出現(xiàn)是造成導(dǎo)線斷裂的重要因素，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)外表面的檢查或者改善受力環(huán)境，避免電子元器件中的導(dǎo)線在使用過(guò)程中產(chǎn)生損傷。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)失效電子元器件進(jìn)行綜合檢測(cè)，得到如下結(jié)論：

1）失效電子元器件中銅鎂導(dǎo)線材料的化學(xué)成分符合規(guī)范要求。

2）電子元器件中導(dǎo)線部分的單線表面局部分布有不同尺寸橫向壓痕，不符合規(guī)范對(duì)單線表面無(wú)明顯損傷的要求。

3）電子元器件中導(dǎo)線整體在彎扭應(yīng)力作用下，各單線外側(cè)表面承受較大軸向拉應(yīng)力。單線在拉應(yīng)力作用下，極易在表面橫向壓痕處發(fā)生應(yīng)力集中，疲勞裂紋優(yōu)先從受力較大單線的壓痕缺陷處起始，并順著彎扭應(yīng)力方向擴(kuò)展一定距離后斜向剪切瞬斷。