变频开关电源高频变压器焊接质量分析与研究
周 平，项永金，张秀凤，戴银燕，王少辉(格力电器（合肥）有限公司，安徽 合肥，230088)
本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/202005/413603.htm摘 要：空调控制器中使用的高频变压器主要用在开关电源中，高频变压器是进行能量储存和传输的重要部件，目前大多数高频变压器都为带引脚手插式变压器。高频变压器在中性盐雾箱中放置48小时，引脚被腐蚀产生铁的氧化物覆盖在引脚的最外面，呈暗红色的铁锈，表现出的现象为氧化、生锈，时间久了会使引脚腐蚀断裂，解决引脚氧化生锈问题，可以提高高频变压器的可靠性和使用寿命。
0 引言
高频变压器在开关电源中是进行能量储存和传输的重要部件。高频变压器应具有漏感小、线圈分布电容小及各线圈之间的耦合电容也要小的特点。高频变压器主要由初级线圈、次级线圈、磁芯、引脚、支架组成。针对试验数据显示17年实验室共反馈高频变压器盐雾试验不合格1单，2018年仅上半年就已经反馈10单，问题集中爆发，快速研究解决引脚氧化问题，具有非常重要的意义。
1 事件背景
高频变压器中性盐雾试验引脚锈蚀严重，从统计数据来看各厂家都存在此异常，且2018年上半年呈直线上升趋势，迫切需要分析整改，具体各供应商下线不合格率见图一。
2 高频变压器引脚中性盐雾试验氧化的原因及失效机理分析
盐雾是指大气中由含盐微小液滴所构成的弥散系统。其成因主要是海洋中海水激烈扰动、风浪破碎、海浪拍岸等产生大量泡沫、气泡，气泡破裂时会生成微小的水滴，大部分水滴因重力作用而降落，部分处于同涡动扩散保持平衡的状态而分布于海面上，它们随气流升入空中，经裂解、蒸发、混并等过程演变成弥散系统，形成大气盐核。
主要利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件来考核产品或金属材料耐腐蚀性能的环境试验，盐雾试验分为二大类，一类为天然环境暴露试验，另一类为人工加速模拟盐雾环境试验。
人工模拟盐雾环境试验是利用一种具有一定容积空间的试验设备——盐雾试验箱，人工模拟盐雾试验又包括中性盐雾试验、醋酸盐雾试验、铜盐加速醋酸盐雾试验、交变盐雾试验。
盐雾实验的主要目的是考核产品或金属材料的耐盐雾腐蚀性能，盐雾试验结果也是对产品质量的判定，是正确衡量产品或金属抗盐雾腐蚀质量的关键依据。
人工模拟实验分为下面三种：
(1) 中性盐雾试验（NSS试验）是出现最早目前应用领域最广的一种加速腐蚀试验方法。它采用5%的氯化钠盐水溶液，溶液PH值调在中性范围（6～7）作为喷雾用的溶液。试验温度均取35℃，要求盐雾的沉降率在1 ml～2 ml/80 cm 2 .h之间。
(2) 醋酸盐雾试验（ASS试验）是在中性盐雾试验的基础上发展起来的。它是在5%氯化钠溶液中加入一些冰醋酸，使溶液的PH值降为3左右，溶液变成酸性，最后形成的盐雾也由中性盐雾变成酸性。它的腐蚀速度要比NSS试验快3倍左右。
(3) 铜盐加速醋酸盐雾试验（CASS试验）是国外新近发展起来的一种快速盐雾腐蚀试验，试验温度为50 ℃，盐溶液中加入少量铜盐—氯化铜，强烈诱发腐蚀。它的腐蚀速度大约是NSS试验的8倍。
2.1 高频变压器引脚盐雾试验氧化生锈产生原理
高频变压器是在天然暴露环境下使用的，选择中性盐雾试验，用于模拟在恶劣的环如在天然暴露环境下对某产品样品进行试验，待其腐蚀可能要1年，而在人工模拟盐雾环境条件下试验，只要24小时，即可得到相似的结果。将失效模式提前验证考核暴露缺陷，解决高频变压器引脚生锈腐蚀问题可大大提高其可靠性及使用寿命。
盐雾对金属材料的腐蚀，主要是导电的盐溶液渗入金属内部发生电化学反应，形成“低电位金属－电解质溶液－高电位杂质”微电池系统，发生电子转移，作为阳极的金属出现溶解，形成新的化合物即腐蚀物。盐雾腐蚀破坏过程中起主要作用的是氯离子。它具有很强的穿透本领，破坏金属的钝态。不断沉降在试样表面上的盐液膜，使含氧量始终保持在接近饱和状态。腐蚀产物的形成，使渗入金属缺陷里的盐溶液的体积膨胀，因此增加了金属的内部应力，引起了应力腐蚀，导致保护层鼓起。主要化学反应如下：
2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2
然后再氧化:
4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3
但我们所见到的铁锈其实是Fe2O3的水合物，其总方程式可以表示为4Fe+3O2+XH2O=2Fe2O3 · XH2O
如果只是初中阶段的话，可以直接认为就是Fe2O3的，即Fe(OH)3失水。但是简单的氧化是不对的，因为在干燥环境下Fe不会生锈的。
形成原电池化学反应：
负极(Fe)：Fe=Fe2+＋2e-
正极：O2＋2H2O+4e-=4OH-
总反应：2Fe＋O2＋2H2O=2Fe(OH) 2
由于吸收氧气，所以也叫吸氧腐蚀.
生成的Fe(OH)2被氧所氧化，生成Fe(OH)3脱水生成Fe2O3铁锈。钢铁制品在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀。
2.2 高频变压器引脚中性盐雾试验氧化生锈失效分析
2.2.1 故障件外观检查
观察上锈的部位，引脚的切脚面较严重，主要为内部金属氧化，产生的氧化物膨胀覆盖在引脚表层，将氧化物去除，引脚锡镀层已被破坏，基材裸漏且已被锈蚀。
2.2.2 引脚材质测试分析
对故障引脚进行打磨后，引脚基材呈黑色，各厂家引脚主要成分的百分比如下表1所示。从测试数据来看，引脚使用的是镀锡铜包钢线，是以低碳钢为芯线，其外表顺次镀覆铜、锡或锡基合金层加工而成的产品，A、C厂家含铜量最高，B、C厂家含铜量最低，但是差异性不大。非生锈主因。
2.2.3 镀层厚度金相对比
对引脚进行金相试验，镀层的总体平均厚度值，测试数据如下 ，引脚氧化生锈的主要原因为：引脚镀层不均，导致48小时中性盐雾试验不合格。从测试数据来看各厂家镀层厚度相差不大，但是各厂家家镀层都存在不连续性，镀层存在凹点。镀层不均是其中一个因素。
2.3 失效机理分析与问题复现
综上所示，导致引脚在中性盐雾试验条件下出现氧化的主要原因为：引脚镀层不连续，钢基材裸漏在严酷中型盐雾恶劣环境下产生氧化物附着导致。铜包钢基材裸漏的原因可能有以下3种主要影响因素：
2.3.1 引脚装配过程的损伤
引脚装配过程及剪脚损伤裸漏钢基材——高频变压器引脚（pin针）是在骨架插针时为CP卷线，插pin后根据产品的脚长来切脚的，那么pin截面基材为钢，未做电镀处理，便会在盐雾试验时最先开始出现生锈，经过48H会顺延这个截面蔓延至pin针本体，更何况有些产品pin需要剪除2/3，那么生锈的几率将是100%的不合格；主要为剪切面未做二次处理导致。
pin针在原材料的骨架的插pin过程以及变压器的加工生产缠脚配线过程中都会造成pin针表面不同程度的摩擦受损，而pin针表现的镀镍以及镀锡厚度极其薄弱。
2.3.2 生产过程排查
引脚校正整形及夹脚测试损伤裸漏钢基材——高频变压器引脚组装完成后，各厂家需要对引脚进行整形，再进行性能测试，最后打包入库。引脚校正整形是将轻微变形引脚通过机械力排布在一条直线上。性能测试也会对引脚有一定损伤。变压器的缠脚后有进行加工上锡，pin针表面会被锡液覆盖，从表面上看pin针表层确实被锡液完全覆盖，而实际上表层的锡液之间是存在凹点，在盐雾试验的恶劣的试验环境下出现渗透腐蚀。
高频变压器的线圈与引脚是通过手工焊接组装的，在焊接过程中电烙铁也会不注意碰到引脚对镀层有一定的损伤。
2.3.3 生产工艺排查
剪脚损伤裸漏钢基材未二次镀锡处理——通过对各厂家引脚对比，发现A、B、C厂家部分需要剪脚处理的pin脚，剪切过的引脚基材未进行浸锡处理且剪切面边缘有镀层崩边现象，分析为厂家浸锡后再进行引脚整形，修剪工序，这样切面不会被浸锡，基材裸漏。
综上所述高频变压器引脚生锈的主要原因有以下几点：
（1）生产工艺异常：整形剪脚前进行的浸锡工艺；
（2）过程镀层损伤：引脚整形，测试、线圈焊接。
3 高频变压器引脚氧化的失效解决方案
（1）方案1：将浸锡工艺调到性能测试之后，但是剪切面未做镀层处理，浸锡效果不好。部分引脚需要进行2/3剪脚处理的引脚，无法将剪切面进行浸锡处理，否则会导致其他引脚连锡短路，此方案不能彻底解决氧化问题。
（2）方案2：制定引脚剪切、整形的工艺操作作业书，但是都属于纯手工操作，人员流失、操作手法，工作态度等不定因素太多，也不能彻底解决。引进全自动的线圈焊接设备，解决人工焊接对引脚的损伤，从一定程度上降低对引脚镀层的损伤，降低不良发生概率。
（3）方案3：从生锈源头引脚材质进行整改，将目前厂家使用的CP线（镀锡铜包钢 镀镍底，其基材为“钢”）改为磷青铜 材 质，磷青铜（phospho rbronze）是一种合金铜，具有良好的导电性能，可以彻底解决引脚中性盐雾试验生锈腐蚀的问题。
18年下半年各厂家高频变压器磷青铜材质引脚新制品陆续来货，分别进行验证，均未出现不合格现象。
4 结论
变压器引脚氧化腐蚀断裂会直接影响变频空调的使用，引脚氧化失效是隐秘性的、长期性的和关键性的，将引脚基材钢更改为磷青铜，它具有良好的延展性、导电性能、电镀性 ，且不含有铁元素，铜元素与盐水不可以发生反应，可以彻底解决引脚在中性盐雾箱中氧化腐蚀、断裂的问题，提高元器件在恶性腐蚀环境下的工作可靠性，提高元器件的使用寿命和整机可靠性。
参考文献：
[1] 邓桂芳.电子元件手工锡焊的技艺揭秘,电气工程应用 [J].2016-08-20.
[2] 胡章枝.金属及涂装体系在化工大气环境下腐蚀行为研究 [D].北京:机械科学研究总院,2011.
[3] 段富良.铜基上化学镀锡工艺分析,云南化工 [J]. 2017(6).
[4] 吴清玲.高压高频变压器的研究与设计,[D].沈阳:沈阳理工大学,2013.
（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第06期第47页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。）
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