散热片铆接引脚的腐蚀变色失效原因

2021-10-25刘燕芳于全耀潘启智

腐蚀与防护 2021年7期

姚彦,刘燕芳,于全耀,潘启智

(中达电子(江苏)有限公司失效分析实验室，苏州 215200)

电子元器件的贮存或服役环境主要是大气环境，在温度、湿度、灰尘、腐蚀性气体等因素作用下，器件中的金属零部件易发生大气腐蚀[1]，导致器件发生短路、点接触腐蚀变色等故障，使设备丧失使用功能[2]。因此，电子设备在贮存或服役环境中的器件腐蚀问题一直备受关注[3]。

元器件中的金属材料间具有电位差，这使得其腐蚀比一般的大气腐蚀更严重[3]。为了防止电子设备器件中的金属零部件发生腐蚀，一般采用镀层进行防护，以提高产品的可靠性[4]。然而，当镀层质量较差或者存在破损时，不能起到防腐蚀作用，有时甚至会形成电化学腐蚀，加速器件的老化，致使产生失效[5]。

某电子产品上散热片铆接引脚的示意见图1，采用SPCC板材表面镀Cu后镀Sn制成。一批产品在高温高湿条件下经200 h测试后，部分产品引脚表面出现黄色物质。而另一批产品经200 h高温高湿试验后，引脚表面未出现黄色物质。

(a) 散热片

为弄清引脚变色腐蚀的原因，本工作通过形貌观察、成分分析等方法对变色腐蚀试样进行了全面分析与研究，以期为防止此类现象再次发生提供参考。

1 理化检验

1.1 宏观形貌

由图2可见：引脚试样经过200h高温高湿测试，表面出现明显变色且有异物堆积。红框区域(框1)异物较多且呈现堆积现象，腐蚀比较严重，绿框区域(框2)异物较少，变色较轻微，为轻微腐蚀；在引脚周边蓝框区域(框3)存在白色物质，物质成分属性有待一步分析。结合引脚侧面腐蚀形貌，腐蚀易在引脚四周边角部位产生且较严重。

(a) 表面

1.2 腐蚀物形貌及成分

由图3可见：变色引脚试样表面腐蚀产物有不同程度的开裂且出现瘤状物；引脚表面膜层均存在腐蚀开裂，且裂纹呈现从内部向外部扩展的趋势。

(a) 腐蚀形貌

对两批引脚试样的化学成分进行分析，见表1和表2。可以看出，试样表面腐蚀严重区域的主要金属元素为Fe、Sn和少量的Cu，非金属元素为O及少量的C，且腐蚀产物发黄，判定为铁锈的颜色，说明基底SPCC板材发生了腐蚀；表面腐蚀不明显区域的主要金属元素为Sn和少量Cu、Fe，非金属元素为O及少量的C。镀层有缺陷(针孔、划伤)不完整时，Sn、Cu的电极电位高于Fe的， Fe作为阳极，形成微电池会加速腐蚀[6-7]。

表1 腐蚀变色品引脚表面成分EDS结果Tab. 1 Samples′ composition of different areas %

表2 未腐蚀引脚试样表面EDS分析结果Tab. 2 Samples′ composition of different areas %

试样表面白色物质[图2(a)蓝框区域]以非金属元素C、O及金属元素Fe为主，含少量Si、Al，根据样品来源单位说明，表面白色物质来源于黑色板材和引脚之间的灰胶，少量Fe源于引脚表面的腐蚀产物。

无明显腐蚀区域未检测到Fe元素，但存在Cu元素，说明Cu镀层因表面Sn膜层被破坏或者腐蚀而裸露出来，但腐蚀并未到达基材，所以引脚表面无明显黄色物质。

1.3 显微红外光谱FTIR分析

变色试样腐蚀区域存在一定量的C/O，利用显微红外光谱仪进行成分分析。由图4可见：两个腐蚀区域[图2(a)方框处]的腐蚀产物FTIR光谱均呈无机氧化物的峰，可以排除有机物的存在，即可排除灰胶引起引脚表面镀层腐蚀。

(a) 轻微腐蚀

1.4 截面分析

由图5可见：变色试样表面镀层分布相对均匀，且镀层衔接结合比较完整，从外层到内层的镀层元素依次为Sn，Cu，Fe，这与技术规范中镀层结构要求一致。

(a) 镀层截面 (b) 图5(a)局部放大 (c) 截面能谱图

由图6可见：变色试样表面镀层存在鼓包、鼓起，破裂等腐蚀区域，以及相对完整的区域。由图7可见：镀层与基底板材结合接口存在问题。在鼓起破裂部位，Fe基材与镀层界面存在O元素，O含量较高，且Fe基材不平整，存在氧化腐蚀痕迹；在相对完整区域，镀Sn层中夹杂C元素，几乎没有O的存在，排除有机物的存在。

(a) 腐蚀镀层截面 (b) 镀层未破损区 (c) 镀层破损区

(a) 镀层破损区 (b) 镀层鼓包区 (c) 镀层未破损区

2 讨论

综合镀层表面及截面微观分析，能谱分析结果，镀层本身存在缺陷，致密性不完整,导致环境中的氧、水分进入镀层内部，与基材接触，发生氧化腐蚀。而镀层金属元素[7]Sn、Cu及镀层杂质[8]元素C标准电极电位高于基材Fe元素的，存在电势差，形成微电池效应[6,9]，加速Fe氧化腐蚀，镀层开始鼓起，当基材腐蚀产物达到一定程度，镀层发生鼓起破裂、脱落。