印制板及其组件(PCB&PCBA)是电子产品的核心部件,PCB&PCBA的可靠性直接决定了电子产品的可靠性。为了保证和提高电子产品的质量和可靠性,对失效进行全面的理化分析,确认失效的内在机理,从而有针对性地提出改善措施。
电子元器件失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序确认电子元器件的失效现象,分辨其失效模式和失效机理,确认最终的失效原因,提出改进设计和制造工艺的建议,防止失效的重复出现,提高元器件可靠性。
集成电路复杂度与性能要求的持续攀升,叠加设计、制造、封装及应用环节的潜在风险,导致短路、开路、漏电、烧毁、参数漂移等关键失效模式频发。这不仅造成昂贵的器件报废与系统宕机,更常引发设计方、代工厂、封测厂与终端用户间的责任争议,带来重大经济损失与信誉风险。
高分子材料性能要求持续提升,而客户对高要求产品及工艺的理解差异,导致断裂、开裂、腐蚀、变色等典型失效频发,常引发供应商与用户间的责任纠纷及重大经济损失。
金属构件服役环境日益苛刻,对材料性能和结构可靠性提出更高要求。然而,设计缺陷、材料瑕疵、制造偏差或不当使用等因素,极易引发疲劳断裂、应力腐蚀开裂、氢脆、蠕变、磨损、过载变形等典型失效。
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台阶测试中途"啪"地裂开!这枚通气阀帽,到底经历了什么?

发布时间: 2026-09-18 00:00
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橡胶密封件在汽车、家电、工业设备里随处可见,成本不高,却常常决定整个系统的可靠性。通气阀帽就是其中之一:它既要保证内部气压与外界平衡,又要阻挡灰尘、水汽和油污。一旦开裂,密封失效,轻则漏气渗油,重则整机功能异常。

这次送来的样品,是在台阶测试(分级加压测试)过程中突然发生开裂的通气阀帽。委托方同时提供了同批次未使用的阀帽作为对比,希望查明:阀帽为什么会在测试中开裂?是材料问题,还是工艺问题?

橡胶失效的排查逻辑是"先看形貌判断断裂类型,再查成分找出诱因"。

1.光学检查:断面给的第一印象

首先用超景深数码显微镜观察失效件(NG件)的断面。

  • 局部断面比较光滑且发亮,这种形貌通常不是橡胶正常撕裂该有的粗糙特征;

NG件光学图片

NG件光学图片

  • 断面处附着油渍。

NG件光学图片

NG件光学图片

结论:断面形貌异常,存在外来油状物质污染的可能。


2.形貌分析:SEM 下的断裂特征

用扫描电镜(SEM)对断面进行形貌观察。

  • 宏观观察:断面大部分比较光滑,不是正常橡胶的断裂纹路。

宏观SEM图片

宏观SEM图片

  • 起裂源定位:放大断面右侧,可以看到从外到内的撕裂纹路,这里是断裂的起裂源点。继续放大,边缘有溶胀痕迹。

NG件起裂源区SEM图片

NG件起裂源区SEM图片

NG件起裂源区SEM图片

  • 起裂源区细节:起裂源区无明显塑性变形,呈脆性断裂特征;放大后断面呈现沙滩状疲劳辉纹。继续放大,断面附有一层物质。

NG件其它区域SEM图片

NG件其它区域SEM图片

NG件其它区域SEM图片

结论:断裂起裂于边缘区域,属于脆性断裂,起裂源区存在溶胀和附着物。


3.FTIR 分析:确认橡胶材质

用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对NG件与OK件进行主成分对比。

  • 两者均为AEM橡胶(乙烯丙烯酸酯橡胶),谱图无明显差别,其中1738~1739 cm⁻¹ 处的吸收峰归属于AEM橡胶中丙烯酸酯的C=O双键伸缩振动。

NG件和OK件FTIR谱图

NG件和OK件FTIR谱图

结论:材质没问题,OK件和NG件是同一款材料。 


4.TGA 分析:热失重看小分子含量

分别取NG件与OK件少量样品做热重分析(TGA),对比两者的热失重行为。

  • 两者均有三个失重台阶:第一台阶为小分子挥发,第二台阶为主体橡胶分解,第三台阶为炭黑氧化分解;

  • 关键区别在第一台阶:NG件起始失重温度约226.6℃,质量减少10.09%;OK件起始失重温度约249.1℃,质量减少7.94%;

NG件和OK件TGA谱图

NG件和OK件TGA谱图

结论:NG件中小分子(可挥发物)含量比OK件明显增加——这些"多出来"的小分子是什么?


5.GCMS 分析:揪出多出来的成分

各取0.15 g样品,加入5 mL丙酮超声萃取15 min,过滤后用气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析有机助剂。

  • NG件与OK件中都含有偏苯三酸三辛酯增塑剂和防老剂KY-405——这些是配方内的正常助剂;但NG件在保留时间15.18~15.80 min和16.18~16.40 min出现了明显更多的烷烃峰。

图片

NG件和OK件GCMS谱图

结论:NG件中渗入了额外的烷烃类物质,而这些在OK件中几乎不存在。


6.密度分析:排水法做个交叉验证

用排水法测定两件样品的密度。

  • NG件密度比OK件更低。

NG件和OK件密度结果

NG件和OK件密度结果

结论:多手段数据闭环——烷烃渗入→小分子增加→密度下降→层间结合弱化。


7.失效机理

  1. 阀帽内部橡胶未形成一个整体,层与层之间结合力较弱(材料本身存在层间脱层倾向);

  2. 外部烷烃类物质渗入橡胶内部(断面油渍、溶胀痕迹即为佐证);

  3. 渗入的烷烃作为外来小分子,削弱了橡胶分子间作用力,进一步破坏了层间结合;

  4. 在台阶测试受到张应力作用时,应力集中在结合力最弱的层间区域,层与层之间发生脱开,最终表现为阀帽开裂。

一句话总结:先天"层间结合弱" + 后天"烷烃渗入" = 张应力下层间脱粘开裂。


8.改进建议

  1. 源头管控外来介质:排查阀帽的使用/测试环境中是否存在含烷烃的油品、清洗剂或润滑介质接触,必要时做介质兼容性验证;

  2. 强化成型工艺:对混炼均匀性、硫化工艺(温度、压力、时间)进行评估,确保橡胶形成致密整体,提高层间结合力;

  3. 增加来料与过程抽检:将TGA第一失重台阶的挥发分含量、密度纳入关键监控指标,异常波动可提前预警;

  4. 产品验证阶段增加介质浸泡+应力联合测试,模拟实际工况下的溶胀与力学耦合作用。

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