绕线贴片功率电感负载电流开路失效及其机理的研究
郭美城;周相国
【摘 要】绕线贴片功率电感在负载电流试验时发生开路失效.通过切片、金相分析、SEM-EDS分析、电性分析、模拟验证等试验,对其进行失效分析.结果发现:失效点为铜线引出端拐角区域,且断口发现大量的锡,而暂未失效的样品拐角区域存在铜锡化合物及锡.本文研究了在电流密度影响下铜锡化合物生长的机理,以及在温度梯度下Cu6Sn5-Sn的热迁移行为.最后,总结了绕线贴片功率电感负载电流开路失效的机理,并对未来的研究方向进行了展望. 【期刊名称】《环境技术》
【年(卷),期】2019(037)001
【总页数】7页(P45-51)
【关键词】失效分析;铜锡反应;电流聚集;热迁移
【作 者】郭美城;周相国
【作者单位】深圳市顺络电子股份有限公司,深圳 518110;深圳市顺络电子股份有限公司,深圳 518110
【正文语种】钛合金型材中 文
电压互感器柜
【中图分类】TG132
引言
随着电子产品趋向微型化、智能化，市场对质量的要求也越来越高，而电子产品中的被动元器件的质量和可靠性也是至关重要的。电感作为被动元器件中重要的一部分，其在实际工作中，往往会由于各种应力环境导致失效，从而元器件失去其特定的功能。 电感常见的失效模式主要有开路（包括阻值增大）、短路，磁体破损，电性漂移等。本文以绕线贴片功率电感为代表介绍了在负载一定电流环境下铜锡化合物的生成及迁移导致开路的原因，以及铜锡化合物生长的机理及迁移研究。
1 绕线贴片功率电感的基本结构
绕线贴片功率电感基本的工艺为采用微小的工字型磁芯，经绕线、断线、拐角折弯、焊接、电极成型、塑封等工艺制成。产品基本的结构如图1所示。
2 电感湿热负载试验后开路失效
电感产品在湿热负载试验过程中持续900 h后发生开路失效，试验的条件为：产品经两次回流焊预处理，在环境为65±2 ℃，90 %～95 %RH下负载一定的额定电流。 其他样品继续负载试验，20 h后陆续有产品发生同样的开路失效。
分析方案：①先对失效样品进行电性复测和外观确认，以判断失效的位置和可能的失效模式；②通过扫描电子显微镜对断口形貌和成分进行分析，推断可能的原因（包括腐蚀、机械应力、熔融、沾污等）；③通过对未失效的样品进行封装切片，观察是否有潜在失效或即将失效的样品，以确认可能的失效机理；④通过模拟试验进行验证。
2.1 断口分析
2.2.1 金相观察
碳油
通过金相显微镜观察到产品的失效位置为铜线引出端拐角处，且失效位置表面发黑，断口周围附近有大量的小颗粒熔球，怀疑该区域受热导致熔断。其失效样品外观图如图2所示。2.1.2 SEM&EDS分析
使用扫描电镜及能谱仪一体机对断口形貌及成分进行分析，结果如下：
从EDS的分析结果来看，铜线断口的主要成分为Sn、Cu，因铜的熔点较高（约1 080 ℃）不易熔断，怀疑在拐角处发生了铜锡化合反应[1]，生成了铜锡化合物。铜锡化合物的电阻率约为铜的6倍，同时铜锡化合物的熔点也降低。根据Q=I2R，当拐角处的铜锡化合物生成较多时，电阻R增大，该拐角处局部的热量超出铜锡化合物的熔点时，该区域会熔断，表现开路。同时Sn的含量较高，怀疑有Sn迁移至铜线内部。
2.2 阻值测试
根据猜想中拐角处生成了铜锡化合物以及有Sn的迁移，由于铜锡化合物及Sn的电阻率较大，拐角处的电阻必然增大，造成产品整体的阻值增大。
测试湿热负载试验后其他未开路失效样品的电阻值，发现大部分产品阻值增大。使用微阻计分别测试阻值增大样品与正常未试验样品的整体阻值、拐角引出端上方的阻值，测试示意图及结果如图4、表1所示。
图1 绕线贴片功率电感的基本结构
图2 断口位置外观
图3 断口位置EDS成分
图4 测试位置示意图
从表1的结果可以看出阻值增大的样品拐角引出端上方阻值跟未试验的样品接近，因此拐角处阻值增大才导致产品整体阻值增大，下一步进行切片验证。
2.3 切片分析
将阻值增大的样品用环氧树脂进行塑封、切片，切片的方向及切片金相形貌如图5所示。将切片后的剖面使用扫描电镜及能谱仪一体机进行分析，测试结果如图6所示。
从EDS分析的结果可以看出拐角处的铜线经负载电流试验后覆盖了大量的Sn及铜锡化合物，从SEM形貌图来看，深灰部分主要成分为铜锡化合物，浅灰部分主要成分为Sn。
2.4 焊银验证
由于锡元素主要是来自产品本身端头中的锡和焊接使用中的锡。为验证开路是铜锡化合物导致，将半成品绕线后，用刀具刮掉引出端的漆包膜，再使用低温银膏进行焊接。测试焊接后产品的电阻值和电感值，并进行负载湿热实验。在试验负载1 000 h后电阻及电感均无异常，拐角处铜线外观无异常。通过加大电流继续负载500 h后有产品电感量下降发生短路，各部位铜线表面均发黑（漆包膜烧毁），但拐角处铜线未发生即将熔融的迹象且发黑程度跟其他部位一致。该验证实验间接表明了产品负载失效与产品本身拐角处的铜锡反应有关。
表1 不同位置阻值测试结果测试位置 阻值增大样品（mΩ） 正常未试验样品（mΩ）1-1# 1-2# 2-1# 2-2#①②位置（整体） 34.68 35.21 23.52 23.45③④位置（引出端上方） 21.51 22.11 21.32 21.45
图5 切片方向1示意图及切面
图6 剖面拐角处的成分结果
图7 铜锡界面反应示意图
表2 不同界面EDS分析结果元素质量比含量（wt.%） 元素原子比含量（at.%）Cu Sn C Cu Sn C界面① 90.61 3.18 6.21 72.38 1.36 26.26界面② 63.26 30.60 6.14 56.43 14.61 28.96界面③ 39.41 56.60 3.98 43.41 33.37 23.21分析位置
3 铜锡反应机理分析
3.1 铜锡反应延时开关电路
在产品焊接处，产品的引出端、拐角处的铜会跟锡接触，锡和铜的界面处会生成Cu3Sn和Cu6Sn5两种金属化合物，其中与Cu相邻的界面为Cu3Sn，而Cu6Sn5再与Cu3Sn、Sn相接，如图7、8所示。使用能谱仪分析的各界面成分如表2所示。
电子飞碟在不同的条件下，Cu3Sn和Cu6Sn5这两种铜锡化合物生成的先后顺序仍然存在一些争论。Shang等人的试验结果发现，Sn与Cu先反应生成Cu6Sn5，随后Cu6Sn5与Cu反应生
成Cu3Sn[2-4]。但Gong等人的试验结果却发现Cu3Sn要先于Cu6Sn5生成，Cu3Sn是最初始形成的化合物，再与Sn继续反应生成Cu6Sn5[5]。
3.2 铜锡化合物生长研究
试验发现铜锡化合物生长初期多集中在产品铜线拐角处，处于拐角以下与负载铝基板相连的铜区域的铜锡化合物相对较少。由于与焊接板接触区域的铜更容易散热，同时拐角处的铜线处具有电流聚集效应[6]，造成拐角处的铜线区域比焊接板相连的铜区域温度要高，所以拐角处的铜锡反应相对更剧烈。
3.2.1 电流聚集效应
在大电流密度下，电子和金属原子之间的相互碰撞会使得金属原子沿电子流动方向发生迁移。焊点中的迁移在铜与锡界面上，局部电流密度梯度越大，局部的原子通量散度越大。根据材料特性，电流密度与温度呈正相关性，则电流密度越大的地方，焦耳热就会越大，因而该处的局部温度也越高。
由于在拐角处的铜线成半S形状，因此在铜原子电迁移的拐角处存在最大的电流密度以及
电流密度梯度，该处的焦耳热最大，所以在铜线拐角处下方最容易发生铜锡反应。同时拐角的内侧电流密度最大，往外侧电流密度相对较低，也就是说，铜线拐角处内侧的温度最高，外侧温度渐渐较低。
3.2.2 切片研究
在电流密度大的区域焦耳热更高，铜锡反应首先生成，所以拐角内侧先生成铜锡化合物。当拐角内侧生成铜锡化合物后，该内侧区域局部电阻变大，周围的电流密度随之慢慢变大，也陆续形成铜锡化合物，即拐角处生成铜锡化合物造成的缺陷加速了铜锡反应的进行。碱式氧化锰
取负载电流试验后不同程度阻值增大的样品按图5的方向进行切片试验，切片后使用金相显微镜进行观察，测试结果可看出铜锡反应先在拐角内侧发生，随后慢慢往拐角外侧及上方生成。其不同阻值对应的切片外观如图9所示，以下红框内均为铜锡化合物，且在图9-④中可看到有孔洞形成。
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