电器电子产品零部件剩余寿命检测技术探讨

谢海俊 傅加平

苏州海关综合技术中心 江苏苏州 215104

1 引言

随着社会发展，家用电器等电器电子产品已深度应用到生产生活中的方方面面，保有量巨大，给生态环境和循环经济发展带来了挑战。据工信部有关数据，至2020年度我国空调、电冰箱等5种主要家电的报废量将超20亿台。循环经济背景下，人们通过追求增加产品价值、优化资源利用和减少环境影响实现可持续发展。要实现这些目标，需要有检测手段对电器电子零部件剩余寿命进行有效评估，并上升到标准和法规层面。这对政府产业政策制定、产品废旧属性鉴定、产品循环制造的市场准入等都具有重要意义。

2 现状和理论依据

目前，我国国家标准已对机械零件剩余寿命评估给出了指南方法，GB/T 34631-2017《再制造 机械零件剩余寿命评估指南》标准中将机械零件分为材料级、零件级、部件级、整机级四个检测层次，采用应力应变电测、X射线衍射残余应力测试等方法对剩余寿命进行评估，但对电器电子产品的剩余寿命评估方法暂时还是空白。

图1 批量产品失效浴盆原理曲线

图2 个体样品失效渐变曲线

如图1、图2，宏观上对批量产品的生命周期评估时，一般服从于浴盆原理曲线；而对某一个体产品评估时，特别是微观状态指标呈现出渐变的特点，电器电子产品的失效是一个渐变过程，在不同寿命时期的微观观察中，材料或元器件会呈现出渐变退化中的不同形态。电器电子产品的失效原因分为材料和元器件两大类，失效机理类型有：热致失效、机械失效、电化学失效、静电放电失效等，上述失效都有相对确定的微观缺陷。如裂纹、导电离子污染物引起的桥连、锡须、枝晶生长等。

我们可以探讨通过检测手段发现相关缺陷，避免那些未掌握使用监测数据但剩余寿命已接近损耗失效期的产品流入再制造或循环利用市场。

对电器电子产品进行剩余寿命评估目前主要有预测和检测两类方法，具体要素见表1。

表1 预测和检测方法比较

理论模型预测的方法多用于高可靠、长寿命、高价值的产品，这些产品难以通过试验获得失效数据或寿命数据，同时这类产品在研制、定型试验、存储使用过程中积累了一些反映设备运行状态和性能的监检测数据，这些数据包含了丰富的关于设备剩余使用寿命的相关信息。机理定寿模型适用于判断产品剩余寿命需要充分的监检测数据的情况。同时由于模型建立和数学处理方法复杂，大多数机械制造或电器电子行业，尤其对前期数据较缺乏的特定批次或样品的判断没有优势。特别在政府监管、检验鉴定领域，在大批量快速决断需求的要求下，实证的结果更为重要，这时检测分析手段的应用空间就比较大。

3 试验设计

作者采用失效分析检测方法（X-ray、切片检测）对阶梯使用时间的PCB板和元器件进行了分析。样品为可编程控制器的电源输入模块，如图3，使用时间分别为2年、10年、16年。该三件样品来源于用于再制造的进口复印机上的输入电源模块，由美国罗克韦尔自动化有限公司制造。选择这三件样品，主要是因为它们同时承受220 V交流电和脉冲直流电的强弱电交变应力，工作循环时间相似、制造工艺相同，同时应力周期足够长，有区分度。

图3 阶梯使用时间的样品

照片为部分X-Ray检测、切片检测的典型可编程控制器样品（制样前），为便于比较和得出结论，选取样品的原则：

（1）在电器电子领域大量使用具有代表性；

（2）承受充分的各类主要应力；

（3）工况相近，使用时间分布合理；

（4）材料、制造工艺相同（如PCB基板材料、贴片工艺、焊料组分等）。

选择X-Ray、切片检测进行比较，是因为X-ray具有无损、快速的特点，适合大批量产品筛选。切片的方法在失效分析中应用广泛，同时引入Minilab等分析软件，对试验数据进行分析，使结果更具可信度。

切片检测方法的特点在于：

（1）结果直观，能从微观结构变化中锁定发现电器电子产品微裂纹、空洞、虚焊等缺陷，犹如医学中的病理分析；

（2）样品可溯性好，是一种静态检测方法，检测时无须让复杂的产品处于运行状态；

（3）样品应用面广，检测成本和周期可控，可广泛检测PCB材料、元器件、焊点缺陷检测。

4 检测发现

上述样品通过X-ray检测的图谱如图4所示。

图4 检测样品图谱

检测发现X-ray检测的图谱中，样品的元器件、焊接点、PCB板材料等随着使用年限的变化，未发现明显可分辨的差异。说明X-ray检测方法，对电器电子产品，主要适用于发现产品的制造缺陷，而非寿命或可靠性缺陷，这一点与机械零部件的疲劳或强度失效机理有所不同。

在切片试验中，我们选取上述样品的元器件、PCB板、连接件部位的纵切面制取样品，样品及检测仪器如图5、图6所示。

图5 树脂固封抛光后样品及典型样品局部图

图6 能谱分析仪

经仪器放大观察，使用年限为10年、16年的样品连接件焊接部位均存在焊锡晶格裂纹现象，且16年使用年限的裂纹现象更为明显，微观图片如图7所示。

图7 10年、16年使用年限样品晶格裂纹

对发现微观缺陷的样品，后续选取一致性批量产品进行温湿度应力的加速寿命试验，强化晶格裂纹缺陷，使产品在较短时间内失效，并呈现失效时间上的差异。通过上述观察和试验结果证实，微观缺陷的程度与电器电子的使用寿命是存在关联的。

5 结论

一般使用情况下，电器电子产品零部件的微观实质变化会先于宏观失效现象，不同检测分析手段对零部件寿命缺陷的敏感程度区别很大，寿命缺陷与产品或零部件的使用状态、生产工艺、失效类型等综合因素相关。

部分失效分析检测方法对电器电子产品零部件的寿命缺陷显示出一定的辨识度，对相关零部件剩余寿命评估有重要参考价值。国家标准GB/T 34631-2017《再制造 机械零件剩余寿命评估指南》已经对机械零件剩余寿命的评估准则和检测项目做出了规定。建议有关部门，在充分有效的试验和研究的基础上，尽快针对电器电子零部件产品，制定寿命缺陷检测方法指南及剩余寿命评估方法，并应用于实际，这对电器电子有关产业发展和循环经济具有重要的现实意义。作者相信，失效性分析检测方法在该领域的应用随着理论和技术的发展必定会有越来越广阔的空间。