拨码开关触点腐蚀失效分析与预防

0 引言

拨码开关是实现多流路选择性开关的电子器件，以实现电路板整板功能、逻辑、工作模式等的选择、切换。由于它结构简单，体积小，性能稳定，在家用电器等行业应用广泛。

目前，空调主板常用拨码开关一般为小型贴片器件^[1]，由拨键（连接簧片、动触点）、安装盖、基座（安装静触点引脚）构成（图1）。其中，簧片动触点镀金以获得较低的电接触阻抗。若使用纯度99.9% 以上黄金镀层（ASTM B488[2] 中Type III），其惰性层不会被氧化。但由于拨码开关簧片的动触点需要在静触点上弹性摩擦，因此需选择ASTM B488 中Type I-C（纯度99.7%、硬度（130~200）HK25）、Type II 等。在黄金镀层^[2]中加入微量的“硬化剂”，如镍、钴等。如硬化剂含量控制、电镀闭孔工艺及镀层厚度控制等出现异常，就会出现簧片动触点镀金层腐蚀，造成器件接触不良、通信异常等失效。

图1 拨码开关实物与结构示意图

本次失效件集中在我司2017 年新引进的YG 品牌拨码开关，售后使用一段时间后出现多单投诉，整机呈现“不制热”、“不制冷”、“主板无法工作”、“无法开机”等。拆解多个失效件，发现簧片动触点、引脚静触点均存在腐蚀（图2），主要集中在拨码状态时动、静触点接触位置。

图2 动、静触点腐蚀失效位置

1 失效案例统计

对失效案例数据进行统计，并按拨码开关物料品牌、编码、安装省份、使用（出厂）时间等进行统计，查找规律。

按品牌、编码统计：故障件91.4% 集中在2017 年新引进的某品牌YG。因所有编码均为多家品牌同时供应，故按编码统计无明显规律。

按安装省份统计：沿海省份居多（图3）, 而各省安装数据无显著差异，分析与沿海城市的潮湿环境相关。按使用（出厂）时间进行统计：使用Minitab：统计→可靠性/ 生存→分布分析→分布ID 图，对分布特征进行极大似然估计。发现按使用时间统计，分布相关系数吻合度AD 值（0~1）过低, 无法拟合。按出厂时间统计，发现威布尔分布的相关系数吻合度AD 值达到0.725（良好，见图4）。证明空调存储和使用过程中的环境因素均会造成腐蚀。

图3 拨码开关失效按安装省份统计

图4 拨码开关失效按出厂时间的分布估计

2 理化检验

2.1 宏观及X-ray检测

售后多个失效件，外观宏观检验无异常（图5），X-ray 检测内部簧片无变形异常（图6），拆解发现簧片动触点、引脚静触点均存在腐蚀（图2）。

图5 外观检测

图6 X-ray检测内部簧片

2.2 化学成分分析

分别取不同品牌的库存制品、售后失效品的动、静触点使用EDX 能谱仪进行化学成分对比分析，结果见表1。

由表1 可见，品牌YG 和JC 的库存样品表面无氧元素。而售后样品均检测到氧元素。其中，YG 样品氧含量远高于JC，氧化程度更为严重。

YG 样品的金、镍元素含量分别明显低、高于JC。因EDX 能谱穿透深度在微米级别，可间接说明镀金层厚度在该数量级且YG 品牌较JC 偏低，并存在硬化剂（镍）添加过多^[2]造成污染（难于闭孔）问题。

2.2 镀金层厚度测定

为进一步确认不同品牌镀金层差异，分别取库存制品使用X-ray 荧光镀层测厚仪进行对比分析，结果见表2。

表2 结果印证YG 品牌动、静触点的镀金厚度不及JC 品牌，且不符合ASTM B488^[2]标准推荐的耐蚀镀金层厚度要求：（8±1）μm。

3 盐雾试验及结果

3.1 试验方案

为确认不同品牌产品耐腐蚀能力差异，各取库存制品120 件，进行对比盐雾试验。具体方案策划如表3。

其中，中性与酸性盐雾试验条件保证方法：依据GB/T 2423.17[3] 在保证氯化钠浓度的前提下，使用盐酸或者氢氧化钠调节pH 值。中性盐雾pH 值在6.5~7.2，酸性盐雾pH 值在2.7~3.2。

3.2 试验结果

试验前及72、144、192 h 后，用清洁的水冲洗、除尽表面残留的试验溶液（或固态盐）后干燥，在频率为1 kHz 的微小电流（100 mA）下用直流低电阻仪测试接触电阻（图7）, 应小于50 mΩ。

（a）中性-YG-未拨码

（b）酸性-YG-未拨码

（c）中性-YG-拨码

（d）酸性-YG-拨码

（a）中性-YC-未拨码

（b）酸性-YC-未拨码

（c）中性-YC-拨码

（d）酸性-YC-拨码

图7 盐雾试验后接触电阻盒图

可见，盐雾试验后接触电阻中位数、波动（盒体高度）逐步提升。进行到72~144 h，YG 品牌制品逐步出现接触电阻超标。192 h 后，YG 厂家异常比例明显较高，尤其是酸性- 拨码状态达83.3%，分布特征类似售后威布尔（呈现偏态）。其中，拨码和未拨码的状态相比，相同厂家、相同试验时间，拨码状态腐蚀后接触电阻箱体变高、波动加剧、超标比例升高，且离群异常点较多，这与售后集中在拨码状态失效吻合。

4 结论

拨码开关售后接触不良导致空调功能失效，失效机理为动、静触点接触位置镀金层腐蚀。故障品集中为某品牌YG 供应，且按出厂时间统计呈现威布尔分布，结合故障发生省份、出厂时间统计，证明失效受存储和使用环境腐蚀气氛影响。

YG、YC 品牌的拨码开关，存在失效分布、Au 层厚度及硬化剂含量控制、电镀闭孔率等工艺控制等差异。经对比盐雾试验确认了失效机理、不同品牌失效率差异。因储存及客户使用环境不可改变，结合ASTM B488^[2]、GB/T 2423.17[3] 及检测与试验数据，制定了镀Au层厚度、硬化剂含量、盐雾试验等标准，严格控制后未再出现触点腐蚀导致空调功能失效现象。

参考文献：

[1] QJ 12.10.511.拨档开关、拨码开关设计规范[S].广东省珠海市:珠海格力电器股份有限公司,2019.

[2] ASTM B488.01-2011.工程用镀金标准[S].美国宾夕法尼亚州:国际材料试验学会，2011.

[3] GB/T 2423.17-2008.电工电子产品基本环境试验规程 第2部分:试验方法试验Ka:盐雾[S].北京:中国标准出版社,2008.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年7月期）