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拨码开关触点腐蚀失效分析与预防

作者:张永亮1,眭敏1,2(1.珠海格力电器股份有限公司,珠海 519070;2.华南师范大学信息光电子学院,广州 510631)时间:2021-07-26来源:电子产品世界收藏
编者按:拨码开关售后接触不良导致空调整机功能失效。对失效器件进行案例统计、宏观、X光、化学成分及厚度分析。结果表明,不同品牌的拨码开关,存在失效分布、Au层厚度及硬化剂含量控制、电镀闭孔率等工艺控制差异,经对比盐雾试验确认了失效机理、失效率,并据此提出相应的有效预防方案。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202107/427137.htm

0   引言

是实现多流路选择性开关的电子器件,以实现电路板整板功能、逻辑、工作模式等的选择、切换。由于它简单,体积小,性能稳定,在家用电器等行业应用广泛。

目前,空调主板常用一般为小型贴片器件[1],由拨键(连接簧片、动触点)、安装盖、基座(安装静触点引脚)构成(图1)。其中,簧片动触点镀金以获得较低的电接触阻抗。若使用纯度99.9% 以上黄金镀层(ASTM B488[2] 中Type III),其惰性层不会被氧化。但由于簧片的动触点需要在静触点上弹性摩擦,因此需选择ASTM B488 中Type I-C(纯度99.7%、硬度(130~200)HK25)、Type II 等。在黄金镀层[2] 中加入微量的“硬化剂”,如镍、钴等。如硬化剂含量控制、电镀闭孔工艺及镀层厚度控制等出现异常,就会出现簧片动触点镀金层,造成器件接触不良、通信异常等失效。

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图1 拨码开关实物与示意图

本次失效件集中在我司2017 年新引进的YG 品牌拨码开关,售后使用一段时间后出现多单投诉,整机呈现“不制热”、“不制冷”、“主板无法工作”、“无法开机”等。拆解多个失效件,发现簧片动触点、引脚静触点均存在(图2),主要集中在拨码状态时动、静触点接触位置。

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图2 动、静触点失效位置

1   失效案例统计

对失效案例数据进行统计,并按拨码开关物料品牌、编码、安装省份、使用(出厂)时间等进行统计,查找规律。

按品牌、编码统计:故障件91.4% 集中在2017 年新引进的某品牌YG。因所有编码均为多家品牌同时供应,故按编码统计无明显规律。

按安装省份统计:沿海省份居多(图3), 而各省安装数据无显著差异,分析与沿海城市的潮湿环境相关。按使用(出厂)时间进行统计:使用Minitab:统计→可靠性/ 生存→分布分析→分布ID 图,对分布特征进行极大似然估计。发现按使用时间统计,分布相关系数吻合度AD 值(0~1)过低, 无法拟合。按出厂时间统计,发现威布尔分布的相关系数吻合度AD 值达到0.725(良好,见图4)。证明空调存储和使用过程中的环境因素均会造成腐蚀。

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图3 拨码开关失效按安装省份统计

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图4 拨码开关失效按出厂时间的分布估计

2   理化检验

2.1 宏观及X-ray检测

售后多个失效件,外观宏观检验无异常(图5),X-ray 检测内部簧片无变形异常(图6),拆解发现簧片动触点、引脚静触点均存在腐蚀(图2)。

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图5 外观检测

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图6 X-ray检测内部簧片

2.2 化学成分分析

分别取不同品牌的库存制品、售后失效品的动、静触点使用EDX 能谱仪进行化学成分对比分析,结果见表1。

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由表1 可见,品牌YG 和JC 的库存样品表面无氧元素。而售后样品均检测到氧元素。其中,YG 样品氧含量远高于JC,氧化程度更为严重。

YG 样品的金、镍元素含量分别明显低、高于JC。因EDX 能谱穿透深度在微米级别,可间接说明镀金层厚度在该数量级且YG 品牌较JC 偏低,并存在硬化剂(镍)添加过多[2] 造成污染(难于闭孔)问题。

2.2 镀金层厚度测定

为进一步确认不同品牌镀金层差异,分别取库存制品使用X-ray 荧光镀层测厚仪进行对比分析,结果见表2。

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表2 结果印证YG 品牌动、静触点的镀金厚度不及JC 品牌,且不符合ASTM B488[2] 标准推荐的耐蚀镀金层厚度要求:(8±1)μm。

3   盐雾试验及结果

3.1 试验方案

为确认不同品牌产品耐腐蚀能力差异,各取库存制品120 件,进行对比盐雾试验。具体方案策划如表3。

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其中,中性与酸性盐雾试验条件保证方法:依据GB/T 2423.17[3] 在保证氯化钠浓度的前提下,使用盐酸或者氢氧化钠调节pH 值。中性盐雾pH 值在6.5~7.2,酸性盐雾pH 值在2.7~3.2。

3.2 试验结果

试验前及72、144、192 h 后,用清洁的水冲洗、除尽表面残留的试验溶液(或固态盐)后干燥,在频率为1 kHz 的微小电流(100 mA)下用直流低电阻仪测试接触电阻(图7), 应小于50 mΩ。

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(a)中性-YG-未拨码

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(b)酸性-YG-未拨码

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(c)中性-YG-拨码

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(d)酸性-YG-拨码

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(a)中性-YC-未拨码

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(b)酸性-YC-未拨码

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(c)中性-YC-拨码

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(d)酸性-YC-拨码

图7 盐雾试验后接触电阻盒图

可见,盐雾试验后接触电阻中位数、波动(盒体高度)逐步提升。进行到72~144 h,YG 品牌制品逐步出现接触电阻超标。192 h 后,YG 厂家异常比例明显较高,尤其是酸性- 拨码状态达83.3%,分布特征类似售后威布尔(呈现偏态)。其中,拨码和未拨码的状态相比,相同厂家、相同试验时间,拨码状态腐蚀后接触电阻箱体变高、波动加剧、超标比例升高,且离群异常点较多,这与售后集中在拨码状态失效吻合。

4   结论

拨码开关售后接触不良导致空调功能失效,失效机理为动、静触点接触位置镀金层腐蚀。故障品集中为某品牌YG 供应,且按出厂时间统计呈现威布尔分布,结合故障发生省份、出厂时间统计,证明失效受存储和使用环境腐蚀气氛影响。

YG、YC 品牌的拨码开关,存在失效分布、Au 层厚度及硬化剂含量控制、电镀闭孔率等工艺控制等差异。经对比盐雾试验确认了失效机理、不同品牌失效率差异。因储存及客户使用环境不可改变,结合ASTM B488[2]、GB/T 2423.17[3] 及检测与试验数据,制定了镀Au层厚度、硬化剂含量、盐雾试验等标准,严格控制后未再出现触点腐蚀导致空调功能失效现象。

参考文献:

[1] QJ 12.10.511.拨档开关、拨码开关设计规范[S].广东省珠海市:珠海格力电器股份有限公司,2019.

[2] ASTM B488.01-2011.工程用镀金标准[S].美国宾夕法尼亚州:国际材料试验学会,2011.

[3] GB/T 2423.17-2008.电工电子产品基本环境试验规程 第2部分:试验方法试验Ka:盐雾[S].北京:中国标准出版社,2008.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年7月期)



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