變頻開關電源高頻變壓器焊接質量分析與研究

　　周?平，項永金，張秀鳳，戴銀燕，王少輝(格力電器（合肥）有限公司，安徽??合肥，230088)

　　摘?要：空調控制器中使用的高頻變壓器主要用在開關電源中，高頻變壓器是進行能量儲存和傳輸的重要部件，目前大多數高頻變壓器都為帶引腳手插式變壓器。高頻變壓器在中性鹽霧箱中放置48小時，引腳被腐蝕產生鐵的氧化物覆蓋在引腳的最外面，呈暗紅色的鐵銹，表現出的現象為氧化、生銹，時間久了會使引腳腐蝕斷裂，解決引腳氧化生銹問題，可以提高高頻變壓器的可靠性和使用壽命。

　　關鍵詞：高頻變壓器；引腳生銹氧化；可靠性；使用壽命

　　0 引言

　　高頻變壓器在開關電源中是進行能量儲存和傳輸的重要部件。高頻變壓器應具有漏感小、線圈分布電容小及各線圈之間的耦合電容也要小的特點。高頻變壓器主要由初級線圈、次級線圈、磁芯、引腳、支架組成。針對試驗數據顯示17年實驗室共反饋高頻變壓器鹽霧試驗不合格1單，2018年僅上半年就已經反饋10單，問題集中爆發，快速研究解決引腳氧化問題，具有非常重要的意義。

　　1 事件背景

　　高頻變壓器中性鹽霧試驗引腳銹蝕嚴重，從統計數據來看各廠家都存在此異常，且2018年上半年呈直線上升趨勢，迫切需要分析整改，具體各供應商下線不合格率見圖一。

　　2 高頻變壓器引腳中性鹽霧試驗氧化的原因及失效機理分析

　　鹽霧是指大氣中由含鹽微小液滴所構成的彌散系統。其成因主要是海洋中海水激烈擾動、風浪破碎、海浪拍岸等產生大量泡沫、氣泡，氣泡破裂時會生成微小的水滴，大部分水滴因重力作用而降落，部分處于同渦動擴散保持平衡的狀態而分布于海面上，它們隨氣流升入空中，經裂解、蒸發、混并等過程演變成彌散系統，形成大氣鹽核。

　　主要利用鹽霧試驗設備所創造的人工模擬鹽霧環境條件來考核產品或金屬材料耐腐蝕性能的環境試驗，鹽霧試驗分為二大類，一類為天然環境暴露試驗，另一類為人工加速模擬鹽霧環境試驗。

　　人工模擬鹽霧環境試驗是利用一種具有一定容積空間的試驗設備——鹽霧試驗箱，人工模擬鹽霧試驗又包括中性鹽霧試驗、醋酸鹽霧試驗、銅鹽加速醋酸鹽霧試驗、交變鹽霧試驗。

　　鹽霧實驗的主要目的是考核產品或金屬材料的耐鹽霧腐蝕性能，鹽霧試驗結果也是對產品質量的判定，是正確衡量產品或金屬抗鹽霧腐蝕質量的關鍵依據。

　　人工模擬實驗分為下面三種：

　　(1) 中性鹽霧試驗（NSS試驗）是出現最早目前應用領域最廣的一種加速腐蝕試驗方法。它采用5%的氯化鈉鹽水溶液，溶液PH值調在中性范圍（6～7）作為噴霧用的溶液。試驗溫度均取35℃，要求鹽霧的沉降率在1 ml～2 ml/80 cm 2 .h之間。

　　(2) 醋酸鹽霧試驗（ASS試驗）是在中性鹽霧試驗的基礎上發展起來的。它是在5%氯化鈉溶液中加入一些冰醋酸，使溶液的PH值降為3左右，溶液變成酸性，最后形成的鹽霧也由中性鹽霧變成酸性。它的腐蝕速度要比NSS試驗快3倍左右。

　　(3) 銅鹽加速醋酸鹽霧試驗（CASS試驗）是國外新近發展起來的一種快速鹽霧腐蝕試驗，試驗溫度為50 ℃，鹽溶液中加入少量銅鹽—氯化銅，強烈誘發腐蝕。它的腐蝕速度大約是NSS試驗的8倍。

　　2.1 高頻變壓器引腳鹽霧試驗氧化生銹產生原理

　　高頻變壓器是在天然暴露環境下使用的，選擇中性鹽霧試驗，用于模擬在惡劣的環如在天然暴露環境下對某產品樣品進行試驗，待其腐蝕可能要1年，而在人工模擬鹽霧環境條件下試驗，只要24小時，即可得到相似的結果。將失效模式提前驗證考核暴露缺陷，解決高頻變壓器引腳生銹腐蝕問題可大大提高其可靠性及使用壽命。

　　鹽霧對金屬材料的腐蝕，主要是導電的鹽溶液滲入金屬內部發生電化學反應，形成“低電位金屬－電解質溶液－高電位雜質”微電池系統，發生電子轉移，作為陽極的金屬出現溶解，形成新的化合物即腐蝕物。鹽霧腐蝕破壞過程中起主要作用的是氯離子。它具有很強的穿透本領，破壞金屬的鈍態。不斷沉降在試樣表面上的鹽液膜，使含氧量始終保持在接近飽和狀態。腐蝕產物的形成，使滲入金屬缺陷里的鹽溶液的體積膨脹，因此增加了金屬的內部應力，引起了應力腐蝕，導致保護層鼓起。主要化學反應如下：

　　2Fe+O₂+2H₂O=2Fe(OH)₂

　　然后再氧化:

　　4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O=4Fe(OH)₃

　　但我們所見到的鐵銹其實是Fe₂O₃的水合物，其總方程式可以表示為4Fe+3O₂+XH₂O=2Fe₂O₃ · XH₂O

　　如果只是初中階段的話，可以直接認為就是Fe₂O₃的，即Fe(OH)₃失水。但是簡單的氧化是不對的，因為在干燥環境下Fe不會生銹的。

　　形成原電池化學反應：

　　負極(Fe)：Fe=Fe²⁺＋2e^-

　　正極：O₂＋2H₂O+4e^-=4OH^-

　　總反應：2Fe＋O₂＋2H₂O=2Fe(OH) ₂

　　由于吸收氧氣，所以也叫吸氧腐蝕.

　　生成的Fe(OH)₂被氧所氧化，生成Fe(OH)₃脫水生成Fe²O₃鐵銹。鋼鐵制品在大氣中的腐蝕主要是吸氧腐蝕。

　　2.2 高頻變壓器引腳中性鹽霧試驗氧化生銹失效分析

　　2.2.1 故障件外觀檢查

　　觀察上銹的部位，引腳的切腳面較嚴重，主要為內部金屬氧化，產生的氧化物膨脹覆蓋在引腳表層，將氧化物去除，引腳錫鍍層已被破壞，基材裸漏且已被銹蝕。

　　2.2.2 引腳材質測試分析

　　對故障引腳進行打磨后，引腳基材呈黑色，各廠家引腳主要成分的百分比如下表1所示。從測試數據來看，引腳使用的是鍍錫銅包鋼線，是以低碳鋼為芯線，其外表順次鍍覆銅、錫或錫基合金層加工而成的產品，A、C廠家含銅量最高，B、C廠家含銅量最低，但是差異性不大。非生銹主因。

　　2.2.3 鍍層厚度金相對比

　　對引腳進行金相試驗，鍍層的總體平均厚度值，測試數據如下 ，引腳氧化生銹的主要原因為：引腳鍍層不均，導致48小時中性鹽霧試驗不合格。從測試數據來看各廠家鍍層厚度相差不大，但是各廠家家鍍層都存在不連續性，鍍層存在凹點。鍍層不均是其中一個因素。

　　2.3 失效機理分析與問題復現

　　綜上所示，導致引腳在中性鹽霧試驗條件下出現氧化的主要原因為：引腳鍍層不連續，鋼基材裸漏在嚴酷中型鹽霧惡劣環境下產生氧化物附著導致。銅包鋼基材裸漏的原因可能有以下3種主要影響因素：

　　2.3.1 引腳裝配過程的損傷

　　引腳裝配過程及剪腳損傷裸漏鋼基材——高頻變壓器引腳（pin針）是在骨架插針時為CP卷線，插pin后根據產品的腳長來切腳的，那么pin截面基材為鋼，未做電鍍處理，便會在鹽霧試驗時最先開始出現生銹，經過48H會順延這個截面蔓延至pin針本體，更何況有些產品pin需要剪除2/3，那么生銹的幾率將是100%的不合格；主要為剪切面未做二次處理導致。

　　pin針在原材料的骨架的插pin過程以及變壓器的加工生產纏腳配線過程中都會造成pin針表面不同程度的摩擦受損，而pin針表現的鍍鎳以及鍍錫厚度極其薄弱。

　　2.3.2 生產過程排查

　　引腳校正整形及夾腳測試損傷裸漏鋼基材——高頻變壓器引腳組裝完成后，各廠家需要對引腳進行整形，再進行性能測試，最后打包入庫。引腳校正整形是將輕微變形引腳通過機械力排布在一條直線上。性能測試也會對引腳有一定損傷。變壓器的纏腳后有進行加工上錫，pin針表面會被錫液覆蓋，從表面上看pin針表層確實被錫液完全覆蓋，而實際上表層的錫液之間是存在凹點，在鹽霧試驗的惡劣的試驗環境下出現滲透腐蝕。

　　高頻變壓器的線圈與引腳是通過手工焊接組裝的，在焊接過程中電烙鐵也會不注意碰到引腳對鍍層有一定的損傷。

　　2.3.3 生產工藝排查

　　剪腳損傷裸漏鋼基材未二次鍍錫處理——通過對各廠家引腳對比，發現A、B、C廠家部分需要剪腳處理的pin腳，剪切過的引腳基材未進行浸錫處理且剪切面邊緣有鍍層崩邊現象，分析為廠家浸錫后再進行引腳整形，修剪工序，這樣切面不會被浸錫，基材裸漏。

　　綜上所述高頻變壓器引腳生銹的主要原因有以下幾點：

　?。?）生產工藝異常：整形剪腳前進行的浸錫工藝；

　?。?）過程鍍層損傷：引腳整形，測試、線圈焊接。

　　3 高頻變壓器引腳氧化的失效解決方案

　　（1）方案1：將浸錫工藝調到性能測試之后，但是剪切面未做鍍層處理，浸錫效果不好。部分引腳需要進行2/3剪腳處理的引腳，無法將剪切面進行浸錫處理，否則會導致其他引腳連錫短路，此方案不能徹底解決氧化問題。

　　（2）方案2：制定引腳剪切、整形的工藝操作作業書，但是都屬于純手工操作，人員流失、操作手法，工作態度等不定因素太多，也不能徹底解決。引進全自動的線圈焊接設備，解決人工焊接對引腳的損傷，從一定程度上降低對引腳鍍層的損傷，降低不良發生概率。

　　（3）方案3：從生銹源頭引腳材質進行整改，將目前廠家使用的CP線（鍍錫銅包鋼 鍍鎳底，其基材為“鋼”）改為磷青銅 材 質，磷青銅（phospho rbronze）是一種合金銅，具有良好的導電性能，可以徹底解決引腳中性鹽霧試驗生銹腐蝕的問題。

　　18年下半年各廠家高頻變壓器磷青銅材質引腳新制品陸續來貨，分別進行驗證，均未出現不合格現象。

　　4 結論

　　變壓器引腳氧化腐蝕斷裂會直接影響變頻空調的使用，引腳氧化失效是隱秘性的、長期性的和關鍵性的，將引腳基材鋼更改為磷青銅，它具有良好的延展性、導電性能、電鍍性 ，且不含有鐵元素，銅元素與鹽水不可以發生反應，可以徹底解決引腳在中性鹽霧箱中氧化腐蝕、斷裂的問題，提高元器件在惡性腐蝕環境下的工作可靠性，提高元器件的使用壽命和整機可靠性。

　　參考文獻：

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　　[4] 吳清玲.高壓高頻變壓器的研究與設計,[D].沈陽:沈陽理工大學,2013.

（注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第06期第47頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）