線繞片式電感器開路失效分析

【關(guān)鍵詞】繞線片式電感器；漆包線；三防漆；失效分析

前言

電感用于儲能、濾波、限流等電路。線繞片式電感器是一種將漆包線繞制在鐵氧瓷體上的元件，具有Q值高、低電阻、體積小的特點，端電極結(jié)構(gòu)，適合高密度PCB表面貼裝。

PCB是重要的電子部件，實現(xiàn)電子元器件之間的電氣連接。板上元器件焊接、調(diào)試完成后會在表面噴涂或浸涂一層三防漆，用于保護元器件免受潮濕、灰塵、鹽霧等環(huán)境的侵蝕。但三防漆固化后，會因溫度變化產(chǎn)生應(yīng)力[1]，部分特殊結(jié)構(gòu)的元器件如硅基振蕩器、變壓器、電感等，會因累積的應(yīng)力而失效。

一、典型失效案例分析

某單位產(chǎn)品上使用0805封裝鐵氧體芯線繞片式電感器，電感器經(jīng)歷多輪溫度試驗，再次通電測試發(fā)現(xiàn)電感呈現(xiàn)偶發(fā)開路的情況。

（一）外觀檢查

對失效樣品的外觀形貌進行檢查，觀察結(jié)構(gòu)形式及其有無形變、表面有無外來物附著、鐵磁體有無開裂等情況。

該樣品為線繞片式電感器端，該電感可見2根引出端分別通過焊接方式固定于兩側(cè)端電極，合格樣品典型形貌見圖1所示。失效樣品頂部標識清晰，端電極被焊料包裹，底部被三防漆填充，該三防漆呈較硬特征，見圖2、圖3所示。

（二）X射線檢查

通過非破壞的方式對失效樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢查，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)有無形變、漆包線有無損傷或缺口等。透視檢查發(fā)現(xiàn)：失效樣品的漆包線在左側(cè)端電極焊點處斷開，而且漆包線斷線處可以觀察到截面縮減的情況，即頸縮現(xiàn)象。

典型透視形貌見圖4所示。

（三）電性能測試

通過對失效樣品電性能進行測試，確定失效樣品的失效特征和失效模式，測量失效樣品兩端的連通性，發(fā)現(xiàn)該失效樣品兩端呈開路狀態(tài)。

（四）掃描電子顯微鏡檢查

因漆包線表面被三防漆包裹，無法觀察到斷口形貌，故使用特有方法去除表面的三防漆及固定漆包線的膠狀物，將斷口暴露并檢查。

焊點斷口存在明顯的宏觀塑性變形形貌，微觀上斷口呈纖維狀。見圖5～圖7所示。

測量斷線的漆包線端頭與右側(cè)端電極的連通性，兩端為導(dǎo)通狀態(tài)，說明該失效樣品開路部位僅有1處，即左側(cè)漆包線與端電極焊點處。

（五）原因分析

該片式繞線電感器因漆包線與端電極焊點處斷開而導(dǎo)致開路失效。

失效樣品底部漆包線與端電極焊點處被三防漆包裹，透視檢查發(fā)現(xiàn)漆包線在左側(cè)端電極焊點處斷開，斷口存在明顯的宏觀塑性變形形貌，說明漆包線所受應(yīng)力超過其抗拉強度，微觀上斷口呈纖維狀，這是塑性變形過程中微裂紋不斷擴展和相互連接造成的。

通過信息調(diào)研，該失效樣品焊接后噴涂三防漆，產(chǎn)品經(jīng)歷多輪高低溫變化試驗，試驗后該類型電感器多次出現(xiàn)偶發(fā)開路失效的現(xiàn)象。結(jié)合掃描電子顯微鏡形貌知道斷口形貌表明焊點處漆包線受到拉伸應(yīng)力，因三防漆的熱膨脹系數(shù)與漆包線不匹配，推斷該拉伸應(yīng)力可能與三防漆存在關(guān)系。

二、模擬試驗

針對失效情況，對噴涂三防漆的樣品、未噴涂三防漆的樣品進行相同的溫度試驗，對試驗結(jié)果進行比對分析。

（一）樣品情況

共選取20只同型號電感，其中10只噴涂三防漆，定義為A組，另外10只不噴涂，定義為B組。

（二）溫度循環(huán)試驗

對20只電感進行溫度沖擊試驗來評估高低溫交替沖擊下三防漆是否對漆包線產(chǎn)生應(yīng)力，試驗采用空氣介質(zhì)法，溫度條件為-55℃～125℃，總共循環(huán)500次，每次時間15分鐘，轉(zhuǎn)換時間不超過30秒。試驗后對電感進行X射線檢查。

經(jīng)過500次循環(huán)試驗后，A組（噴涂三防漆）電感有4只X射線檢查發(fā)現(xiàn)焊點處的漆包線出現(xiàn)頸縮變細及虛接現(xiàn)象，B組未發(fā)現(xiàn)漆包線出現(xiàn)異常形貌。

典型形貌見圖8～圖10所示。

（三）掃描電子顯微鏡檢查

使用掃描電子顯微鏡對A組電感（噴涂三防漆）試驗后X射線檢查出現(xiàn)異常的漆包線進行檢查：

漆包線在靠近端電極部位斷裂，斷面整體呈圓錐形，通過觀察，可以看到裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)以及最后的瞬時破斷區(qū)，該形貌屬于典型的疲勞斷裂形貌，說明該處漆包線不斷地受到拉伸、壓縮應(yīng)力[2]。見圖11～圖12所示

（四）鍵合強度

任取3只A組（未發(fā)現(xiàn)頸縮）、B組的電感進行鍵合拉力試驗，對試驗結(jié)果進行比較。

對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過500次溫度循環(huán)試驗后，噴涂三防漆的電感漆包線拉力值明顯變小，鍵合強度試驗結(jié)果見表1。

（五）結(jié)果

通過對噴涂三防漆（A組）和未噴涂三防漆（B組）的20只樣品進行相同的溫度循環(huán)試驗，試驗發(fā)現(xiàn)噴涂三防漆的電感漆包線存在頸縮變細開路的情況，斷面呈圓錐形，存在明顯的疲勞受損區(qū)域[3]。

對A組中未出現(xiàn)頸縮的樣品及B組樣品進行鍵合強度試驗，結(jié)果表明噴涂三防漆的電感在經(jīng)過多次溫度循環(huán)試驗后其強度變?nèi)?，更易因熱脹冷縮產(chǎn)生的拉伸及壓縮應(yīng)力而頸縮虛接甚至開路。

結(jié)論

針對繞線片式電感器端電極開路的失效原因進行分析，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)端電極焊點處漆包線存在頸縮變細開路的特征，通過對電感裝焊工藝、使用環(huán)境等背景信息的調(diào)研以及漆包線斷面形貌的分析，判斷漆包線斷裂的原因可能與底部填充三防漆存在聯(lián)系。針對該種情況進行模擬驗證試驗，試驗結(jié)果表明漆包線開路斷裂與底部填充的三防漆存在直接關(guān)系，多次溫度試驗后可以復(fù)現(xiàn)漆包線頸縮虛接情況，未出現(xiàn)頸縮的漆包線鍵合強度也會降低。

繞線片式電感器由于三防漆、漆包線的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率、抗交變應(yīng)變能力不同，經(jīng)多次高低溫、溫度循環(huán)等冷熱交替變化試驗產(chǎn)生了應(yīng)力，漆包線多次受到了不同程度的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力后在端電極焊點處斷裂而開路。