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            撥碼開關觸點腐蝕失效分析與預防

            作者:張永亮1,眭敏1,2(1.珠海格力電器股份有限公司,珠海 519070;2.華南師范大學信息光電子學院,廣州 510631)時間:2021-07-26來源:電子產品世界收藏
            編者按:撥碼開關售后接觸不良導致空調整機功能失效。對失效器件進行案例統計、宏觀、X光、化學成分及厚度分析。結果表明,不同品牌的撥碼開關,存在失效分布、Au層厚度及硬化劑含量控制、電鍍閉孔率等工藝控制差異,經對比鹽霧試驗確認了失效機理、失效率,并據此提出相應的有效預防方案。


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

            0   引言

            是實現多流路選擇性開關的電子器件,以實現電路板整板功能、邏輯、工作模式等的選擇、切換。由于它簡單,體積小,性能穩定,在家用電器等行業應用廣泛。

            目前,空調主板常用一般為小型貼片器件[1],由撥鍵(連接簧片、動觸點)、安裝蓋、基座(安裝靜觸點引腳)構成(圖1)。其中,簧片動觸點鍍金以獲得較低的電接觸阻抗。若使用純度99.9% 以上黃金鍍層(ASTM B488[2] 中Type III),其惰性層不會被氧化。但由于簧片的動觸點需要在靜觸點上彈性摩擦,因此需選擇ASTM B488 中Type I-C(純度99.7%、硬度(130~200)HK25)、Type II 等。在黃金鍍層[2] 中加入微量的“硬化劑”,如鎳、鈷等。如硬化劑含量控制、電鍍閉孔工藝及鍍層厚度控制等出現異常,就會出現簧片動觸點鍍金層,造成器件接觸不良、通信異常等失效。

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            圖1 撥碼開關實物與示意圖

            本次失效件集中在我司2017 年新引進的YG 品牌撥碼開關,售后使用一段時間后出現多單投訴,整機呈現“不制熱”、“不制冷”、“主板無法工作”、“無法開機”等。拆解多個失效件,發現簧片動觸點、引腳靜觸點均存在(圖2),主要集中在撥碼狀態時動、靜觸點接觸位置。

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            圖2 動、靜觸點失效位置

            1   失效案例統計

            對失效案例數據進行統計,并按撥碼開關物料品牌、編碼、安裝省份、使用(出廠)時間等進行統計,查找規律。

            按品牌、編碼統計:故障件91.4% 集中在2017 年新引進的某品牌YG。因所有編碼均為多家品牌同時供應,故按編碼統計無明顯規律。

            按安裝省份統計:沿海省份居多(圖3), 而各省安裝數據無顯著差異,分析與沿海城市的潮濕環境相關。按使用(出廠)時間進行統計:使用Minitab:統計→可靠性/ 生存→分布分析→分布ID 圖,對分布特征進行極大似然估計。發現按使用時間統計,分布相關系數吻合度AD 值(0~1)過低, 無法擬合。按出廠時間統計,發現威布爾分布的相關系數吻合度AD 值達到0.725(良好,見圖4)。證明空調存儲和使用過程中的環境因素均會造成腐蝕。

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            圖3 撥碼開關失效按安裝省份統計

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            圖4 撥碼開關失效按出廠時間的分布估計

            2   理化檢驗

            2.1 宏觀及X-ray檢測

            售后多個失效件,外觀宏觀檢驗無異常(圖5),X-ray 檢測內部簧片無變形異常(圖6),拆解發現簧片動觸點、引腳靜觸點均存在腐蝕(圖2)。

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            圖5 外觀檢測

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            圖6 X-ray檢測內部簧片

            2.2 化學成分分析

            分別取不同品牌的庫存制品、售后失效品的動、靜觸點使用EDX 能譜儀進行化學成分對比分析,結果見表1。

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            由表1 可見,品牌YG 和JC 的庫存樣品表面無氧元素。而售后樣品均檢測到氧元素。其中,YG 樣品氧含量遠高于JC,氧化程度更為嚴重。

            YG 樣品的金、鎳元素含量分別明顯低、高于JC。因EDX 能譜穿透深度在微米級別,可間接說明鍍金層厚度在該數量級且YG 品牌較JC 偏低,并存在硬化劑(鎳)添加過多[2] 造成污染(難于閉孔)問題。

            2.2 鍍金層厚度測定

            為進一步確認不同品牌鍍金層差異,分別取庫存制品使用X-ray 熒光鍍層測厚儀進行對比分析,結果見表2。

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            表2 結果印證YG 品牌動、靜觸點的鍍金厚度不及JC 品牌,且不符合ASTM B488[2] 標準推薦的耐蝕鍍金層厚度要求:(8±1)μm。

            3   鹽霧試驗及結果

            3.1 試驗方案

            為確認不同品牌產品耐腐蝕能力差異,各取庫存制品120 件,進行對比鹽霧試驗。具體方案策劃如表3。

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            其中,中性與酸性鹽霧試驗條件保證方法:依據GB/T 2423.17[3] 在保證氯化鈉濃度的前提下,使用鹽酸或者氫氧化鈉調節pH 值。中性鹽霧pH 值在6.5~7.2,酸性鹽霧pH 值在2.7~3.2。

            3.2 試驗結果

            試驗前及72、144、192 h 后,用清潔的水沖洗、除盡表面殘留的試驗溶液(或固態鹽)后干燥,在頻率為1 kHz 的微小電流(100 mA)下用直流低電阻儀測試接觸電阻(圖7), 應小于50 mΩ。

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            (a)中性-YG-未撥碼

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            (b)酸性-YG-未撥碼

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            (c)中性-YG-撥碼

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            (d)酸性-YG-撥碼

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            (a)中性-YC-未撥碼

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            (b)酸性-YC-未撥碼

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            (c)中性-YC-撥碼

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            (d)酸性-YC-撥碼

            圖7 鹽霧試驗后接觸電阻盒圖

            可見,鹽霧試驗后接觸電阻中位數、波動(盒體高度)逐步提升。進行到72~144 h,YG 品牌制品逐步出現接觸電阻超標。192 h 后,YG 廠家異常比例明顯較高,尤其是酸性- 撥碼狀態達83.3%,分布特征類似售后威布爾(呈現偏態)。其中,撥碼和未撥碼的狀態相比,相同廠家、相同試驗時間,撥碼狀態腐蝕后接觸電阻箱體變高、波動加劇、超標比例升高,且離群異常點較多,這與售后集中在撥碼狀態失效吻合。

            4   結論

            撥碼開關售后接觸不良導致空調功能失效,失效機理為動、靜觸點接觸位置鍍金層腐蝕。故障品集中為某品牌YG 供應,且按出廠時間統計呈現威布爾分布,結合故障發生省份、出廠時間統計,證明失效受存儲和使用環境腐蝕氣氛影響。

            YG、YC 品牌的撥碼開關,存在失效分布、Au 層厚度及硬化劑含量控制、電鍍閉孔率等工藝控制等差異。經對比鹽霧試驗確認了失效機理、不同品牌失效率差異。因儲存及客戶使用環境不可改變,結合ASTM B488[2]、GB/T 2423.17[3] 及檢測與試驗數據,制定了鍍Au層厚度、硬化劑含量、鹽霧試驗等標準,嚴格控制后未再出現觸點腐蝕導致空調功能失效現象。

            參考文獻:

            [1] QJ 12.10.511.撥檔開關、撥碼開關設計規范[S].廣東省珠海市:珠海格力電器股份有限公司,2019.

            [2] ASTM B488.01-2011.工程用鍍金標準[S].美國賓夕法尼亞州:國際材料試驗學會,2011.

            [3] GB/T 2423.17-2008.電工電子產品基本環境試驗規程 第2部分:試驗方法試驗Ka:鹽霧[S].北京:中國標準出版社,2008.

            (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期)



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