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典型案例分享：開(kāi)裂導(dǎo)致發(fā)生爬行腐蝕

2021-06-10 15:12:57 作者：吳亞寧等來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志分享至：

宇航用某型號(hào)激光器在電裝前的存儲(chǔ)階段發(fā)生嚴(yán)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?chē)鷶U(kuò)散。該型號(hào)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(hào)相同工藝材料的殼體及焊接區(qū)表面完好。該器件的存儲(chǔ)環(huán)境溫度為22℃，濕度為50%。為查明腐蝕原因，避免類(lèi)似事故再次發(fā)生，本文通過(guò)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(yàn)方法對(duì)失效原因進(jìn)行了分析。

一、理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1、宏觀檢查

對(duì)失效件進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)圖1標(biāo)識(shí)區(qū)域?yàn)樽兩顕?yán)重區(qū)域，其表面腐蝕變色形貌如圖1b所示。從圖中可見(jiàn)：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(kuò)散。另外，部分引腳焊盤(pán)的周邊也存在腐蝕變色現(xiàn)象。

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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(duì)激光器表面形貌進(jìn)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(gòu)未見(jiàn)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?jǐn)?shù)）（%）

在圖2所示位置對(duì)激光器表面的腐蝕產(chǎn)物及未變色區(qū)域進(jìn)行能譜（EDS）的對(duì)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(cè)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(cè)

將上述激光器灌封后沿引腳軸向進(jìn)行磨拋，對(duì)激光器表面變色區(qū)的鍍層完整性進(jìn)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(jiàn)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(kāi)裂現(xiàn)象，開(kāi)裂位置及金相形貌如圖3c所示。另外，從圖3d中開(kāi)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(duì)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(jìn)行檢測(cè)。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(guò)陶瓷絕緣子表面的mo-mo層擴(kuò)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(duì)圖中標(biāo)識(shí)區(qū)域進(jìn)行EDX能譜測(cè)試，EDX測(cè)試結(jié)果顯示，圖中標(biāo)識(shí)位置均存在主要元素為Ag、S、Cu的產(chǎn)物，從而確認(rèn)變色區(qū)域表面為Ag、Cu的硫化物。

如圖5所示，對(duì)圖4中Ⅲ區(qū)域進(jìn)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(jìn)一步確認(rèn)焊接界面的腐蝕程度，在圖6所示位置對(duì)焊接頂端及裂紋周邊位置進(jìn)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?jǐn)?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(duì)激光器表面其他變色位置進(jìn)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(guò)陶瓷絕緣子表面的mo-mo層擴(kuò)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(duì)圖7b中標(biāo)示區(qū)域進(jìn)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(shuō)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(lèi)似。

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

將同批次同型號(hào)相同工藝材料未發(fā)生腐蝕的激光器進(jìn)行灌封并沿引腳進(jìn)行軸向磨拋，對(duì)陶瓷絕緣子與殼體焊接位置的形貌進(jìn)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(méi)有穿過(guò)陶瓷絕緣子表面繼續(xù)往外擴(kuò)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(wú)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(hào)未變色剖面的差異。通過(guò)對(duì)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(jìn)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(jìn)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?chē)鷶U(kuò)散、堆集，從而導(dǎo)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(kāi)裂就會(huì)加快氣體介質(zhì)的進(jìn)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(jìn)行焊接。但Ni的富集會(huì)導(dǎo)致鉬的海綿強(qiáng)度下降，造成AgCu焊料焊接陶瓷時(shí)強(qiáng)度較低，且鉬層本身強(qiáng)度較低，因而容易出現(xiàn)開(kāi)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(kāi)裂，導(dǎo)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(hào)激光器在陶瓷絕緣子內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，但裂紋沒(méi)有擴(kuò)展至焊接界面，后續(xù)仍存在裂紋擴(kuò)展至界面的風(fēng)險(xiǎn)。宇航用元器件發(fā)射過(guò)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(jìn)一步擴(kuò)展并導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)失效。鑒于上述現(xiàn)象和應(yīng)用背景，提出以下建議：

（1）對(duì)于類(lèi)似結(jié)構(gòu)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(qiáng)度較高，降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

（2）建議陶瓷絕緣子表面燒結(jié)金屬Wu，代替本身強(qiáng)度較低的金屬鉬。

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