轻触开关在ALT环境中的腐蚀行为及机理分析_赵晨.pdf

轻触开关在 ALT 环境中的腐蚀行为及机理分析赵晨1，郑旭彬1，郑佳华2，刘路2（1.东莞长城开发科技有限公司，广东东莞523905；2.深圳长城开发科技股份有限公司，广东深圳518035）摘要 电表在加速寿命试验（ALT）中，由于其内部轻触开关接触不良，导致电表功能失效。通过电阻测试、扫描电子显微镜、聚焦离子束等手段研究轻触开关在 ALT 环境中的失效行为及机理。结果表明：开关失效部位为锅仔接触面，原因为锅仔接触面的镀 Ag 层存在凹坑，且凹坑处的 Ag 镀层太薄，在 ALT 环境中无法有效保护 Cu 基体，导致基体发生腐蚀。由于腐蚀产物的导电性差，使得开关因接触不良而失效。其机理为 ALT 环境中，凹坑处 Ag 镀层本身氧化以及 Ag 层表面微电池的形成两方面的协同作用，加速凹坑处 Ag 层与基体的腐蚀破坏。可通过控制锅仔铜基体的粗糙度和增加锅仔镀银层厚度来改善锅仔在 ALT 环境中的腐蚀失效问题。关键词 加速寿命试验；轻触开关；锅仔；失效；腐蚀 中图分类号 TG174 文献标志码 Adoi：10.3969/j.issn.1673-6214.2023.03.010 文章编号 1673-6214(2023)03-0201-06Corrosion Behavior and Mechanism Analysis of Switch inALT EnvironmentZHAOChen1，ZHENGXu-bin1，ZHENGJia-hua2，LIULu2(1.DongguanKaifaTechnologyCo.,Ltd.,GuangdongDongguan523905,China；2.ShenzhenKaifaTechnologyCo.,Ltd.,GuangdongShenzhen518035,China)Abstract:Theammeterwasfunctionalfailedduetothepoorcontactoftheswitchusedinammeterduringacceleratedlifetest(ALT).ThefailurebehaviorandmechanismofswitchinALTenvironmentwerestudiedbyresistancetest,scanningelectronmicroscopeequippedwithenergydispersivespectroscopyandfocusionbeam.Theresultsindicatethatthefailuresiteofswitchisincontactsurfaceofcontact.ThisbecausetheAgplatingistoothininpitsincontactsurfacetoprotecttheCusubstrate,andthecorrosionproductofCusubstrateishighresistance,whichleadstothepoorcontactbetweenterminalandcontact.ThefailuremechanismisthatboththeoxidationofAgplatingitselfinpitsandtheformationofmanygalvaniccellsontheAgplatinginALTenvironmentcouldacceleratedthecorrosionofAgplatingandCumatrixespeciallyinpits.TopreventthefailureofcontactinALT,itshoulddecreasetheroughnessofCusubstrateofcontactandincreasetheAgthicknessoncontact.Key words:acceleratedlifetest;switch;contact;failure;corrosion0引言轻触开关由于其接触电阻小、体积小、重量轻等优势，已广泛应用于数码产品、通讯产品、医疗产品等多个领域。轻触开关种类繁多，但其主要组成基本一致，主要由按钮、弹片、底座（端子）、开关盖板及嵌件组成。其内部结构是通过金属弹片受力弹动来实现通断电的1。随着电子产品智能化及高性能化的发展，其质量要求也在不断提高。轻触开关作为电子产品中的重要结构件，其寿命及导通可靠性对整个产品的正常运行至关重要。张永亮2等指出，拨码开关售后接触不良导致空调整机功能失效，原因在于拨码开关动、静触点接触位置镀金层腐蚀导致开关接触不良。王波3等研究发现，触发开关触头镀金层偏薄等造成了开关接触电阻异常，导致其装配到整机后在振动试验中出现早炸故障。通常，需要通过可靠性试验来验证和评估产品内部元器件（如轻触开关等）及产品整体的可靠性水平4。电表在做加速寿命试验（AcceleratedLifeTest，ALT）时，由于其中的轻触开关接触不良收稿日期 2023年2月8日修订日期 2023年4月18日作者简介 赵晨（1993 年），女，工程师，主要从事金属材料失效分析等方面的研究。2023 年 6 月第 18 卷第 3 期失效分析与预防June，2023Vol.18，No.3导致电表功能失效。目前，关于轻触开关内部结构失效的相关文献较少。本研究通过电阻测试、宏微观观察、成分分析以及镀层厚度测试等，对轻触开关在 ALT 环境中的腐蚀行为及机理进行分析，并在此基础上提出预防和改善措施。1故障背景电表在出货前需进行为期 8.0 周的 ALT 试验以检验和衡量其整机的可靠性水平。ALT 试验循环参数见图 1，采用步入式温湿度试验箱，开关端所加直流电压为 3.3V。一批试验件在进行 5.5 周 ALT 试验后出现功能失效，失效率高达 80%以上。初步检验是由于其中的轻触开关接触不良所导致，且不良品开关主要集中在 3 个批次。图 2 为轻触开关的外观及内部结构，主要由按钮、开关盖以及起导通作用的锅仔和端子组成。其中锅仔材质为磷铜表面镀银，其元素成分及含量见表 1。(a)Optical morphology of switch(b)Contact in switch(c)Terminal in switch ButtonCover图2轻触开关结构图Fig.2Structureofswitch表1轻触开关内部锅仔成分（质量分数/%）Table1Chemicalcompositionofcontactinswitch(massfraction/%)ElementAgSnPFeAlNiZnCuContent0.4096.1610.0940.0060.0030.0060.016Bal.2试验过程与结果2.1开关电阻测试用数字万用表对来料开关（OK 样）及失效开关（NG 样）进行电阻测试。测试时，按下开关按钮，开关内部锅仔和端子发生导通。测量开关任意引脚间的电阻，结果显示，OK 样的电阻为 0.07，而 NG 样的电阻不稳定，介于 0.31138M，远大于 OK 样电阻，说明 NG 样的失效模式为接触不良。为了定位失效位置，对锅仔和端子进行交叉实验。当 OK 锅仔和 NG 端子配合时，所测的开关电阻为 0.12，稍高于 OK 样的电阻；而当 NG锅仔和 OK 端子配合时，所测开关电阻约为 19k，远大于 OK 样电阻。由于这种高阻现象跟随 NG样的锅仔，因此确定 NG 样的失效部位为锅仔。2.2失效部位形貌观察与成分分析用扫描电镜对 NG 锅仔接触面进行微观形貌8070605040302010020406080 100 120 140 160 1801020809010070605040302010TemperatureRelative humidityt/hRH/%T/图1ALT 试验循环参数Fig.1ConditionsofALTtestcycle202失效分析与预防第18卷观察，发现表面有均匀分布的大量颗粒状脏污，在锅仔与端子接触的中心区域，则有大量块状脏污（图 3 中红色箭头所指），这是由于锅仔与端子接触时，颗粒状脏污经挤压所致。Contamination OK Area 200 mAB图3NG 锅仔接触面形貌Fig.3ContactsurfacemorphologyofNGcontact对 NG 锅仔接触面进行能谱分析，结果见表 2。由结果可知，锅仔正常区域的元素组成为 C、O、Cu、Ag，颗粒状脏污及中心接触区域的块状脏污成分为 C、O、P、Cu、Ag。对比发现，脏污处的O、P、Cu 含量明显高于正常区域，说明脏污主要组成为 P、Cu 的氧化物，其导电性远低于 Ag 的导电性5，导致开关锅仔与端子接触不良。表2NG 锅仔的能谱分析结果（质量分数/%）Table2EDSresultsofNGcontact(massfraction/%)LocationCOPCuAgAinFig.33.5037.3124.3324.6710.19BinFig.31.352.477.8988.29用蘸有酒精的棉签轻擦拭锅仔表面后，锅仔中心接触区域的大部分脏污被清除（图 4）。然后将清洗后的锅仔装回原 NG 样，通过电阻测试发现，NG 样的电阻值由之前的 311k 降低至 0.62，进一步说明失效部位为锅仔接触面，同时也验证NG 样失效的原因为锅仔接触面有脏污存在，导致开关因接触不良而失效。3锅仔失效原因分析与验证3.1失效部位脏污来源确认为确认锅仔接触面的脏污来源，利用扫描电镜及聚焦离子束（FIB）对样品脏污所在位置进行截面形貌观察及能谱分析。为避免切割位置由于离子束能量太高而遭受破坏，切割前对其进行镀Pt 处理（图 5a）。显微观察可以看出，脏污以下的锅仔 Cu 基体发生明显腐蚀，且腐蚀产物疏松多孔，其元素组成与表面脏污的组成一致（图 5b），均为 O、P、Cu、Ag、Sn 元素，说明脏污为基体腐蚀的产物。腐蚀产物中 P 含量较高，而锅仔内部P 含量仅为 0.094%（质量分数），这可能与 P 的偏Contact area200 m图4清洁后的 NG 锅仔形貌Fig.4MorphologyofNGcontactaftercleaning(a)Before cross-section(b)Cross-section morphology and composition of corrosion product of substrate Cutting sitePt plating232.7 nm105.8 nm402.2 nmAg plating5 m20 m24681012CuOPAgSnEnergy/keVCuCounts图5NG 锅仔截面形貌与成分Fig.5Cross-sectionmorphologyandcompositionofNGcontact第3期赵晨，郑旭彬，郑佳华，等:轻触开关在 ALT 环境中的腐蚀行为及机理分析203析有关6-7。同时也可以观察到，锅仔表面 Ag 镀层凹凸不平，且厚度不均匀。发生腐蚀的位置附近Ag 镀层厚度明显低于未腐蚀的正常区域，说明腐蚀起源于 Ag 镀层薄弱区域，推断 Cu 基体发生腐蚀的原因为锅仔接触面有些位置 Ag 镀层太薄，其在 ALT 环境中无法有效保护铜基体，导致基体发生腐蚀。3.2锅仔失效原因验证为验证开关的失效是否与锅仔接触面的Ag 镀层有关，对 NG 样相应的锅仔来料（NG 锅仔来料）进行微观形貌观察，并与 ALT 试验后未失效的正常开关锅仔来料（OK 锅仔来料）进行对比，结果见图 6。由此可见，NG 锅仔来料表面镀 Ag 层存在明显凹坑，表面较粗糙，这与镀层处理前的Cu 基体粗糙度有关8。而 OK 来料表面镀 Ag 层明显较平整，表面无凹坑存在。能谱分析结果（表 3）表明，NG 锅仔来料的凹坑处 Ag 含量明显低于正常区域。(a)Incoming contact of NG switch after ALT(b)Incoming contact of