編者按

宇航用某型號激光器在電裝前的存儲階段發(fā)生嚴重腐蝕，殼體鍍金層表面及其與陶瓷絕緣子的焊接位置表面大片區(qū)域發(fā)生變色，并呈放射狀向周圍擴散。該型號激光器殼體材料為FeCo、Ni、Au，焊接區(qū)為AgCu焊料，陶瓷絕緣子為Al2O3；而同批次同型號相同工藝材料的殼體及焊接區(qū)表面完好。該器件的存儲環(huán)境溫度為22℃，濕度為50%。為查明腐蝕原因，避免類似事故再次發(fā)生，本文通過腐蝕形貌觀察、腐蝕產(chǎn)物能譜分析、制樣鏡檢、金相及SEM等理化檢驗方法對失效原因進行了分析。

一、理化檢驗與結(jié)果

1、宏觀檢查

對失效件進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)圖1標識區(qū)域為變色最嚴重區(qū)域，其表面腐蝕變色形貌如圖1b所示。從圖中可見：LD激光器鍍金層表面大片區(qū)域發(fā)生腐蝕變色，并呈放射狀向四周擴散。另外，部分引腳焊盤的周邊也存在腐蝕變色現(xiàn)象。

a）整體形貌                         b）局部腐蝕變色形貌

圖1   LD激光器的宏觀形貌

2、微觀分析

采用掃描電子顯微鏡對激光器表面形貌進行檢查，結(jié)果如圖2所示，變色區(qū)Ⅰ表面的腐蝕形貌，鍍金層表面附著有大量疏松腐蝕產(chǎn)物；未變色區(qū)Ⅱ表面的局部放大形貌，鍍層表面潔凈、結(jié)構未見異常。

a）變色與未變色形貌                    b）Ⅰ與Ⅱ處放大

圖2   LD激光器殼體表面腐蝕變色的SEM形貌

表1  激光器表面不同區(qū)域EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）  （%）

在圖2所示位置對激光器表面的腐蝕產(chǎn)物及未變色區(qū)域進行能譜（EDS）的對比分析，結(jié)果如表1所示。能譜分析結(jié)果表明：腐蝕產(chǎn)物主要含C、O、S、Ag、Cu、Au等元素，而未變色區(qū)域主要成分為Au，且不含S、Ag、Cu，據(jù)此推測鍍金層表面變色區(qū)域附著的腐蝕產(chǎn)物的物相可能為Ag、Cu的硫化物。

3、金相檢測

將上述激光器灌封后沿引腳軸向進行磨拋，對激光器表面變色區(qū)的鍍層完整性進行金相檢查。圖3a為殼體與陶瓷絕緣體焊接位置附近低倍金相形貌，其鍍層變色區(qū)域與焊接區(qū)域的高倍金相形貌如圖3b、3c所示。由圖3b可知，殼體表面變色位置的鍍金層與鍍鎳層完整致密，未見鍍層破損脫落或腐蝕通道；但在殼體變色位置與陶瓷絕緣子的焊接界面處發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，開裂位置及金相形貌如圖3c所示。另外，從圖3d中開裂位置高倍金相形貌可以看出，在焊接位置頂端，陶瓷絕緣子與焊料表面鍍層結(jié)合處較為疏松。

a）低倍金相形貌          b）Ⅰ處高倍金相形貌

c）Ⅱ處高倍金相形貌               d）Ⅲ處高倍金相形貌

圖3  焊接區(qū)剖面金相形貌

4、掃描電鏡物相分析

使用掃描電子顯微鏡與能譜分析儀，對殼體鍍層表面的腐蝕產(chǎn)物與陶瓷絕緣子-焊料焊接界面的形貌與成分進行檢測。陶瓷絕緣子與殼體焊接位置的形貌如圖4所示，裂紋從陶瓷絕緣子內(nèi)部穿過陶瓷絕緣子表面的mo-mo層擴展到焊料。

圖4  焊接區(qū)剖面SEM形貌

從圖4中Ⅰ放大和Ⅱ放大可以看出，變色區(qū)殼體鍍層表面及焊接區(qū)鍍層表面鍍鎳層與鍍金層完整致密，在鍍金層表面均存在腐蝕產(chǎn)物，對圖中標識區(qū)域進行EDX能譜測試，EDX測試結(jié)果顯示，圖中標識位置均存在主要元素為Ag、S、Cu的產(chǎn)物，從而確認變色區(qū)域表面為Ag、Cu的硫化物。

如圖5所示，對圖4中Ⅲ區(qū)域進行面掃描分析，從面掃描結(jié)果可以看出：AgCu焊料中的富Cu相在焊接界面與Ni發(fā)生互溶，并生成金屬間化合物，焊接界面附近焊料內(nèi)以富銀相為主。另外，在焊接界面及焊料鍍層部分位置均有S元素分布。

圖5  焊接區(qū)剖面SEM形貌Ⅲ處局部面掃描分布

為進一步確認焊接界面的腐蝕程度，在圖6所示位置對焊接頂端及裂紋周邊位置進行能譜（EDS）分析，結(jié)果如表2所示。能譜分析結(jié)果表明：在陶瓷絕緣子與焊料界面頂端，結(jié)合較為疏松位置，S含量較高。沿裂紋向陶瓷絕緣子內(nèi)部延伸方向，S含量降低。在譜圖5位置處，已經(jīng)不含S。另外，在S元素分布區(qū)域，均有Ag、Cu分布。

圖6  焊接區(qū)局部SEM形貌

表2  焊接位置不同區(qū)域EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）  （%）

二、失效原因分析

將上述激光器沿引腳軸向繼續(xù)磨拋，對激光器表面其他變色位置進行剖面檢查，圖7a為陶瓷絕緣子與殼體焊接位置形貌，裂紋從陶瓷絕緣子內(nèi)部穿過陶瓷絕緣子表面的mo-mo層擴展到焊料，與圖4所示剖面焊接位置處裂紋路徑一致。

a）焊接區(qū)整體形貌                    b）局部放大形貌

圖7  陶瓷絕緣子與殼體焊接位置的SEM形貌

對圖7b中標示區(qū)域進行能譜（EDX）分析，從能譜結(jié)果可以看出，焊料區(qū)鍍層表面物質(zhì)的主要成分為Ag、S、Cu、Au，說明變色區(qū)表面的腐蝕產(chǎn)物均為Ag、Cu的硫化物，如表3所示。另外，在焊接區(qū)與陶瓷絕緣子的焊接界面處，均有S、Ag、Cu元素分布，且S含量沿裂紋向陶瓷絕緣子內(nèi)部延伸方向逐漸降低，與圖6所示位置的元素分布情況類似。

表3 焊接位置不同區(qū)域EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）  （%）

將同批次同型號相同工藝材料未發(fā)生腐蝕的激光器進行灌封并沿引腳進行軸向磨拋，對陶瓷絕緣子與殼體焊接位置的形貌進行SEM檢查。從圖8a可以看出，裂紋僅在陶瓷絕緣子內(nèi)部，并沒有穿過陶瓷絕緣子表面繼續(xù)往外擴展。圖8b為頂端焊料區(qū)與陶瓷絕緣子的焊接形貌，在焊接位置頂端，陶瓷絕緣子與焊料表面鍍層結(jié)合良好，且焊料區(qū)鍍層表面無Ag、Cu的硫化物。

a）焊接區(qū)整體形貌                          b）局部放大形貌

圖8  陶瓷絕緣子與殼體焊接位置的SEM形貌

基于上述電鏡觀察及物相分析的結(jié)果，再結(jié)合兩處變色剖面及同批次同型號未變色剖面的差異。通過對比，發(fā)現(xiàn)激光器表面變色主要是由于陶瓷絕緣子與焊接區(qū)之間存在貫穿裂紋，為腐蝕介質(zhì)進入界面及AgCu焊料的遷移提供了通道。另外，在焊接位置頂端，陶瓷絕緣子與焊料表面鍍層結(jié)合處較為疏松，更加有利于腐蝕介質(zhì)的進入及AgCu焊料的遷出。

焊接區(qū)的AgCu焊料沿裂紋遷移至殼體表面后發(fā)生了爬行腐蝕，即在含硫物質(zhì)的作用下生成大量Ag、Cu的硫化物，并在Ag、Cu的暴露面上及其周圍擴散、堆集，從而導致激光器表面大片區(qū)域發(fā)生變色。且空氣中的含硫物質(zhì)可引起Ag、Cu的爬行腐蝕，而界面位置開裂就會加快氣體介質(zhì)的進入，使Ag、Cu的爬行腐蝕速度加快。

失效激光器的陶瓷/可伐封接工藝為：陶瓷絕緣子表面燒結(jié)Mo層后鍍Ni，后與AgCu焊料進行焊接。但Ni的富集會導致鉬的海綿強度下降，造成AgCu焊料焊接陶瓷時強度較低，且鉬層本身強度較低，因而容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

三、結(jié)論與建議

綜合兩處變色剖面與未變色剖面的差異以及分析結(jié)果表明：陶瓷與焊接界面位置開裂，導致AgCu焊料發(fā)生爬行腐蝕，致使激光器表面大片區(qū)域發(fā)生變色。

而未發(fā)生失效現(xiàn)象的同批次同型號激光器在陶瓷絕緣子內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，但裂紋沒有擴展至焊接界面，后續(xù)仍存在裂紋擴展至界面的風險。宇航用元器件發(fā)射過程中存在外力沖擊，太空服役環(huán)境下存在溫度循環(huán)，都可能使裂紋進一步擴展并導致封裝結(jié)構失效。鑒于上述現(xiàn)象和應用背景，提出以下建議：

（1）對于類似結(jié)構的陶瓷/可伐封接器件，用Ag焊料或Cu焊料焊接，可保證焊接強度較高，降低開裂風險。

（2）建議陶瓷絕緣子表面燒結(jié)金屬Wu，代替本身強度較低的金屬鉬。