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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金属部件为何“起泡”又“剥皮”?——金属腐蚀失效分析

发布时间: 2026-06-17 00:00
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如果说脆性断裂是最危险的失效方式,那么腐蚀失效可以说是最复杂的失效方式。

点腐蚀,简称点蚀(pitting corrosion)是指金属表面在腐蚀介质中形成小孔的一种极为局部的腐蚀形态,亦称孔蚀,蚀孔表面常被腐蚀产物覆盖,难以被及时发现,从而造成突然性事故。

某固定轴组件在服役一段时间后,拆解检查时发现端面、轴杆以及与之装配的扭簧表面均出现了明显的红褐色锈蚀产物,扭簧上的腐蚀产物堆积严重,局部镀层鼓起、开裂,甚至整片剥落。

金属部件没有明显外力损伤,却从某个小点开始迅速蔓延,最终导致功能失效。

为了精准判定失效原因,我们按照从宏观到微观、从非破坏到破坏的顺序,对失效件(NG样品)和同批次的正常件(OK样品)进行了系统分析。


低倍观察

对NG样品进行表面低倍观察,结果如下:

  • 固定轴端面、轴杆以及扭簧表面均存在明显腐蚀痕迹,其中扭簧表面腐蚀产物堆积尤为显著;

  • 腐蚀并非均匀覆盖于整个表面,而是呈局部分布,表明腐蚀起始于局部区域,具有点蚀特征。

试样表面低倍图

试样表面低倍图

结论:

腐蚀呈局部分布,扭簧表面腐蚀产物堆积明显,初步判断腐蚀从局部萌生,具备点蚀的典型形貌特征。


红外光谱分析

为进一步确认腐蚀区域是否存在有机污染物,取NG样品腐蚀区域异物进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试,结果如下:

  • 异物谱图与乳酸盐拟合良好,乳酸盐中RCOO⁻有机酸盐的特征吸收峰出现在1580 cm⁻¹和1430 cm⁻¹附近。

异物红外分析

异物红外分析

  • 吸收峰位置发生蓝移,说明除乳酸盐外,腐蚀区域中还存在卤化物腐蚀产物。

异物红外分析

异物红外分析

结论:

腐蚀区域检出乳酸盐及卤化物成分,汗液污染(含Cl⁻及乳酸)为导致腐蚀的重要环境线索。

但为何汗液成分会出现在该固定轴组件表面?为何同批次样品中NG样品发生严重腐蚀而OK样品暂未失效?答案需结合表面微观形貌与镀层质量进一步判定。


表面形貌与能谱分析(SEM + EDS)

对NG样品腐蚀区域进行扫描电子显微镜(SEM)观察及能谱(EDS)分析,结果如下:

  • 固定轴腐蚀区域:腐蚀产物呈鼓泡状、龟裂状及结晶盐状形态;EDS分析显示被腐蚀处Cl元素含量高达11%。固定轴材质为含Fe/Cr/Ni的不锈钢,镀层主元素为Cr/C/O。

图片

NG样品固定轴端面微观形貌与能谱图

NG样品固定轴端面微观形貌与能谱图

  • 扭簧腐蚀区域:表面腐蚀产物堆积,可见结晶盐态;EDS分析显示被腐蚀处Cl元素含量达3.4%,主元素为Fe/O,基材为碳钢。未腐蚀区域镀层为Ni-P层,但镀层可见缝隙缺陷。

图片

NG样品扭簧表面微观形貌与能谱图

NG样品扭簧表面微观形貌与能谱图

结论:

Cl⁻在固定轴及扭簧腐蚀区域均富集,证实其为腐蚀的关键介质。固定轴Cl含量(11%)远高于扭簧(3.4%),与其不锈钢钝化膜受Cl⁻破坏后形成"大阴极-小阳极"微电偶、加速点蚀扩展的机理相符。但为何腐蚀集中于特定区域而非全面铺开?为何扭簧未腐蚀处已存在镀层缝隙缺陷?镀层完整性或为决定性因素。


化学成分分析

取NG样品固定轴去除镀层后进行化学成分分析,结果如下:

  • NG样品固定轴为含铜的易切削不锈钢,其成分符合JIS G4303-2021标准中牌号SUS303Cu的限值要求。

NG样品固定轴成分结果(Wt.%)

NG样品固定轴成分结果(Wt.%)

结论:

固定轴基体材料成分合格,排除了因材料错用或成分超标导致腐蚀的可能性,失效原因应聚焦于环境因素与表面处理质量。


金相分析

对NG样品固定轴及NG、OK样品扭簧进行切片制样,经金相显微镜观察,结果如下:

  • NG样品固定轴:基体为奥氏体组织,部分呈孪晶及碳化物;组织中存在较多颗粒状与长条状MnS夹杂物。未腐蚀端面可见镀层,由内层高Cr层及外层Cr/C/O层组成,总厚度约1.52 μm。固定轴端面较粗糙,镀层局部断续;腐蚀端面可见腐蚀产物将镀层鼓包。

NG样品固定轴端面轴向组织微观与能谱图

NG样品固定轴端面轴向组织微观与能谱图

  • NG样品扭簧:基体腐蚀严重,镀层被腐蚀产物鼓包、断裂。未腐蚀区域镀层局部可见未完全覆盖基体及缝隙缺陷,使基体裸露。

NG样品扭簧横向组织微观图

NG样品扭簧横向组织微观图

  • OK样品扭簧:镀层局部同样存在未完全覆盖基体及缝隙缺陷;基体裂纹处可见镀层,表明镀前裂纹已存在,镀层质量较差,使基体裸露。

OK样品扭簧横向组织微观图

OK样品扭簧横向组织微观图

结论:

镀层局部断续、存在缝隙缺陷且未完全覆盖基体,为含Cl⁻腐蚀介质渗入提供了通道。OK样品虽暂未失效,但已具备与NG样品相同的镀层质量隐患,处于失效早期阶段。外来含Cl污染物是导致腐蚀失效的直接原因,而镀层质量较差则是腐蚀过早发生的主要促进因素。


根本原因

  1. 直接原因:外来含Cl⁻污染物(来源为汗液)附着在部件表面,Cl⁻破坏了不锈钢固定轴的钝化膜及扭簧的Ni-P镀层,诱发点蚀。

  2. 促进因素:镀层质量差,存在局部断续、缝隙缺陷,使基体裸露,显著降低了部件的耐腐蚀能力,导致腐蚀过早发生。

改进建议

  1. 过程控制:在生产、装配、检验环节严格管控人员手部接触,佩戴洁净手套,避免汗液污染部件表面。

  2. 镀层工艺优化:提高镀层覆盖完整性,减少缝隙和断续缺陷。

  3. 出厂检测:增加镀层孔隙率检测或盐雾试验抽检批次,确保镀层质量稳定性。

  4. 设计层面:对于服役环境不可控的部件,可选用耐点蚀当量更高的不锈钢材料(如含钼奥氏体不锈钢),或增加有机封闭涂层。

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