（检测技术与自动化装置专业论文）电子设备内部及触点界面尘土特性研究.pdf

摘要 电子设备内部及触点界面尘土特性研究 摘要 尘土污染可能导致严重的电接触失效，这对电子通讯设备的可靠 性有很大的危害。本论文主要分析研究失效电子产品内部的尘土特 性、并对比研究经振动加速尘土实验的的电子产品中的尘土特性和未 使用的产品内部沉积尘土特性，进而分析触点界面的尘土特性，为提 出在尘土实验使用的有效的人工尘土提供参考。 研究自然失效手机内部尘土的形貌特性、尺寸特性、分布特性及 尘土成分。手机内部尘土分布规律为距离尘土源越远尘土密度越小， 手机内部元件结构对尘土分布有很大的影响。尘土形貌分为纤维和颗 粒，纤维与颗粒总量之比为o 0 5 ，纤维尺寸主要集中在2 0 01 tm 1 0 0 0 岬；有将近9 5 颗粒尺寸集中在1 0 1 tm 5 0 i ，t m ，可知，大于 5 0 , m 的颗粒进入到手机内部的几率很小。对未使用的连接器触点界 面尘土特性分析表明生产过程中进入手机触点界面的污染物尺寸集 中在5 1 0 9 m ，说明大尺寸尘土主要是在使用过程中进入手机的。手 机内部颗粒状尘土元素成分有c 、o 、m g 、a l 、s i 、s 、c l 、k 、c a 等，纤维状尘土元素成分有c 、0 。这一实验结论中的尘土尺寸范围 可以作为确定模拟尘土实验中所用尘土尺寸的参考，其分布规律可以 用来评判尘土实验所选实验条件模拟自然条件的效果。 振动加速尘土实验能够使尘土大量进入手机内部，是针对手机密 封性的整机实验。显微镜下观测尘土的整体分布发现，在手机中部纤 维大量聚集，颗粒的尺寸多集中在小于l ol am ，比自然失效手机内部 颗粒的尺寸( 主要集中在5 0 t lm ) 要小，建议更改所用人工尘土尺寸： 尘土成分分析显示人工尘土与自然尘土成分存在差异，建议应包含有 机物成分。 失效触点界面尘土特性分析表明，尘土对失效有重要影响；失效 触点在电子设备中的空间位置最接近外界，出现尘土的概率越高，这 与自然失效手机内部尘土分布距离尘土源越近尘土密度越大规律吻 合，建议优化结构设计，减少尘土对敏感元件的影响；不同的使用地 点，失效触点出现尘土颗粒的概率北方高于南方。设计尘土测试实验 时，应根据实验目的的不同，选用不同的人工尘土。 摘要 关键词：失效；尘土尺寸分布；尘土成分；电接触；尘土分布特性； 尺寸；手机结构 a b s t r a c t s t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i co f d u s t i nt h ee l e c t r o n i cd e v i c e sa n d o n t h ec o n t a c t si n t e r f a c e a b s t r a c t c o n t a m i n a t i o nc o u l dc a u s et h ef a i l u r eo ft h ee l e c t r i c a lc o n t a c t sa n d t h r e a t e nt h er e l i a b i l i t yo ft h ee l e c t r o n i cd e v i c e s t h i sp a p e rm a i n l y f o c u s e so nt h es t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fd u s ti nt h ef a i l e de l e c t r o n i c p r o d u c t s ，c o m p a r e dw i t ht h ed u s ti nb o u n c i n gs i m u l a t i o nt e s t sa n dt h o s e i nt h eu n u s e dp r o d u c t s t h ec h a r a c t e r i s t i co fd u l s to nt h ec o n t a c t sw e r e f u r t h e ra n a l y z e d b a s e do nt h es t u d yo ft h ed u s tc h a r a c t e r i s t i cw ec a n c o n s t r u c tt h ee f f e c t i v ea r t i f i c i a ld u s tf o rd u s ts i m u l a t i o ns y s t e m f i g u r eo u tt h ed u s tc h a r a c t e r i s t i c ，i n c l u d i n gt h em o r p h o l o g y , s i z e ， d i s t r i b u t i o na n dc o m p o n e n t so ff a i l e dm o b i l ep h o n e s t h eg e n e r a lt r e n d s h o w st h a tt h en u m b e ro fd u s t sw i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fd i s t a n c e f r o mt h ee n t r a n c e t h es t r u c t u r eo fm o b i l ep h o n e sh a sag r e a ti m p a c to n t h ed u s td i s t r i b u t i o n i nm o r p h o l o g i c a lp o i n t ，d u s t sc a nb ec l a s s i f i e da s p a r t i c l e sa n df i b e r s t h en u m b e rr a t i oo ff i b e ra n dp a r t i c l ei s0 0 5 t h e f i b e rs i z em a i n l yc o n c e n t r a t e di n2 0 0 1 t m 10 0 0 1 x m ；t h es i z eo fa b o u t 9 5 p a r t i c l e si s 10 t m 5 0 ，t m i ns h o r t ，t h ep a r t i c l e sl a r g e rt h a n5 0 t m a r ed i f f i c u l tt oe n t e rt h ep h o n e t h ec o m p o s i t i o n so fp a r t i c l e sa r ec 、0 、 m g 、a 1 、s i 、s 、c l 、ka n dc a ，a n dt h ec o m p o s i t i o n so ff i b e r sa r ec 、 o t h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i co fd u s to nu n u s e dc o n n e c t o rc o n t a c t s s h o w st h a tt h es i z eo f6 5 c o n t a m i n a n t si s5 10 1 x m t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so ft h es i z er a n g eo fd u s ta n dt h ec o m p o s i t i o no fd u s t sc a nb eu s e d a sr e f e r e n c ew h e nd e t e r m i n et h ea r t i f i c i a ld u s ts i z ea n dc o m p o n e n t t h e d i s t r i b u t i o no fd u s tc a nb e u s e dt oi u d g et h er e s u l t so fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s a b s t r a c t s t u d yt h ed u s tc h a r a c t e r i s t i co fm o b i l ep h o n e sa r e rd u s tb o u n c i n g t e s t t h ec o m p o s i t i o no fd u s t sp r o v e st h a tt h ep a r t i c l e si nt h e s em o b i l e p h o n e sd oc o m ef r o mt h ea r t i f i c i a ld u s t s b u tt h e ya r en o tc o n s i s t e n tw i m t h ep a r t i c l e sf r o mt h ef i e l d s ，s ot h ec o m p o s i t i o no fa r t i f i c i a lp a r t i c l e s s h o u l db ei m p r o v e d b a s i n go nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o mt h ef i e l d s ， s o m eo r g a n i cc o m p o u n d ss h o u l db ep u ti n t ot h ea r t i f i c i a lp a r t i c l e s t h e s i z er a n g eo fp a r t i c l e s ( 1 o i - t m ) i sm u c hs m a l l e rt h a nt h e s ei nt h em o b i l e p h o n ef r o mt h ef i e l d s a n a l y s i so ft h ed u s tc h a r a c t e r i s t i co nf a i l u r ec o n t a c t ss h o w st h a td u s t h a sa ni m p o r t a n te f f e c to nt h ef a i l u r e t h ep r o b a b i l i t yo fd u s ta p p e a r a n c e w i l li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fd i s t a n c ef r o mt h eo u t s i d es p a c e ，w h i c h i ss a m ew i t ht h eg e n e r a lt r e n do fd u s td i s t r i b u t i o ni nm o b i l e so ff i e l d s o w es h o u l do p t i m i z et 1 1 es t r u c t u r eo fm o b i l e st or e d u c et h ee f f e c to fd u s t o ns e n s i t i v ec o m p o n e n t s p r o b a b i l i t yo fd u s ta p p e a r a n c ei sh i g h e ri nn o r t h t h a ns o u t h t h i sa r t i f i c i a ld u s tc o m p o s i t i o ns h o u l db ed e c i d e da c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c o n t a c tf a i l u r e ；s i z eo fd u s t s ；d i s t r i b u t i o no fd u s t s ； c o m p o s i t i o no fd u s t s ；s t r u c t u r eo f m o b i l ep h o n e s 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：塞墓垫 本人承担一切相关责任。 日期：迦拿：主：! 兰： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 矽勺罗i g 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 电接触背景介绍 第一章绪论 电接触学是专门研究电子连接的科学，是用来描述两个组件因带电接触而产 生的一种状态。所有的电接触完成三类功能，即接通，保持或切断一个电路，并 且在或长或短的时间间隔里重复这些操作。对于电接触最主要的要求是能够长时 间地保持低且稳定的接触电阻，连接件材料应当具有良好的导电性能。电接触元 器件广泛而大量地应用于电力、电子工业中，其可靠性关系重大! 没有可靠的电 子连接，就不可能发展先进电子学。 电接触的应用极其广泛，在电子、通信、计算机、自动控制、汽车、电力系 统中几乎无所不在。其应用形式多种多样，包括静止连接( 如压接、焊接、栓接、 绕接) ；滑动连接( 如高速火车上的连接、发电机、电动机、滑动开关、电位器 中的连接) ；开关连接( 如继电器、断路器中的连接) 。这些连接部分安装在元件 中，完成一定的机械动作及电气连接就成为机电元件。通常包括连接器、继电器、 键盘、电位器、开关、接线端子、以及电刷集流环系统等。每一个接触点都是 维系电子元件之间、电路之间、设备或系统之间的大、小枢纽。连接的可靠性直 接影响电子系统的可靠性。与其它电子元件不同，连接器的电接触部分大多暴露 在大气中，直接受到大气环境的影响，如温度、湿度、尘土颗粒、腐蚀性气体等。 由于连接器数量浩大，保证可靠的电子连接便成为一个极其困难的课题。因此电 接触科学是一门并涉及电子学、化学、材料科学等多门学科的一门重要的交叉科 学。n 1 随着现代科学技术的迅速发展，电子设备在各个领域得到了广泛的应用，同 时对所有电子设备或系统( 无论是通信系统、控制系统还是检测系统) 的可靠性 和稳定性也提出了越来越高的要求。在各种各样的电子设备或系统中，最容易出 故障导致系统不能正常工作就是连接器的电接触对。 在电子、通信或电力系统中，不仅元件之间、电路之间、设备之间乃至元件 内部，都需要可靠的电连接，电连接器的接触不良会产生误码甚至使整个系统发 生故障，电连接器的质量影响整个系统的可靠性。由可靠性理论知道，每对接触 点都是串联在电路系统中的，它相当于一个电子元件【2 】，其接触性能严重影响电 子装置及电器可靠性，而电接触界面在大气环境中容易受腐蚀介质和尘土的污 北京邮电大学硕十研究生学位论文 染，导致电接触不良，设备可靠性下降、甚至失效。因此，触点电连接的好坏直 接影响到整个系统的可靠性。 9 0 年代以来的信息化浪潮，使我国电子产业发展迅速，新型电子元器件的 发展日益集成化、智能化和小型化，这使得电接触触点日益增多，电连接器的电 接触可靠性对通信系统的可靠性越来越重要，当触点数量迅速增加、触点间距显 著减小时更是如此。现在普遍采用的是在接触件表面镀金、中间层镀镍以改善表 面电性能，增强抗磨损和腐蚀能力，提高电接触可靠性。但是如果表面镀层存在 微孔或其它缺陷，使用环境及运行特性仍然会严重威胁连接器的可靠性【3 】。电接 触元件易受周围环境( 尘土、腐蚀性气体、温度与湿度等) 的影响而造成接触故障。 我国是个多尘土的国家，尘士的污染非常严重。尘土污染可能导致严重的电接触 失效，这对电子通信设备的可靠性有很大的危害 4 1 。 1 2 课题背景 近年来，大量的手持终端诸如移动手机，c d 播放器等等迅速发展并充斥着 中国市场。然而，越来越多的顾客抱怨这些产品的质量和可靠性【5 】，这些产品 在使用一段时间后性能下降。在手机维修中心的维修记录中，发现经常会出现诸 如不能开机、开机后经常出现显示插入s i m 卡、自动关机、电源时断时续、信 号无或信号不稳定等手机故障，故障主要是由天线连接器，电池连接器，s i m 卡 连接器等引起的。 连接器的高可靠性已逐渐成为生产厂商和购买厂商要考虑的主要因素之一。 通过生产厂商回收的大量失效连接器发现，失效通信终端的镀金连接器甚至在几 个月内，就已经失去光泽，并出现严重的磨损现像【6 】。对这些失效的通信终端连 接器进行失效分析【7 1 ，发现这些失效的连接器触点都存在不同程度的污染。 科研室前期的科研成果表明，尘土对电接触的影响有以下几种方式：尘土 成分中含有可溶性盐，当其附着在微孔附近，在潮热环境下会形成电解液，使微 孔底部金属腐蚀，腐蚀生成物蔓延聚集到微孔表面也会出现高接触电阻 8 】； 尘土也可在电镀金的过程中吸附在镀件表面而形成镀金层表面微孔；直接吸附 在机电元件接触表面上，会造成闭合时的高电阻值，导致接触失效 9 】。在中国， 尘土污染相当严重，尘土是造成电接触故障的不容忽视的原因之一。 目前存在用于研究尘土对电接触可靠性影响的实验设备，如振动加速尘土实 验箱、扬尘箱等，但是，目前在测试尘土对电子设备内部连接器影响方面存在的 问题：( 1 ) 现存的尘土实验方法中比较常见的大多是整机密封性实验，主要关注 的是在特定条件与不同结构情况下尘土进入电子设备的可能性，但是，对尘土进 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 入效果没有评判依据。( 2 ) 现阶段尘土实验大多采取在实验箱中通过扬尘和振动 的方式来模拟真实尘土环境，在实验中发现经尘土实验后的电子设备故障率并不 高，不能有效模拟实际情况中尘土对于电接触可靠性的真实影响，且与真实环境 相差较大，不能有效模拟电子设备失效的真实过程。( 3 ) 测试中对于尘土成分、 尺寸以及其他特性的确定还缺乏理论依据与实际参考。 目前国际上还没有成熟有效的用于估计尘土对电接触可靠性影响的测试方 法。要建立一套有效的用于估计尘土对电接触可靠性影响的测试方法需要考虑多 方面的因素，可以分为两部分：一、尘土进入电子产品的途径及影响因素的研究。 尘土进入电子产品的途径及影响因素的研究中，有以下几个问题需要考虑：什么 样的尘土能够进入手机内部( 主要从形貌和颗粒度两方面考虑) ；在什么条件下 尘土最容易进入手机? 其影响尘土进入手机的因素是什么? 如何使实验条件和 自然环境统一? 二、尘土对电子设备内部连接器可靠性产生的影响。尘土对电子 设备内部连接器可靠性产生的影响的研究部分，有以下几个问题需要考虑：物理 和力学影响；化学影响( 腐蚀) ；尘土实验中所用人工尘土组成，包括成分组成 和各成分的颗粒度范围。实验室前期针对构建测试方法所需考虑的某些因素作了 部分研究，但是并不完善，本论文针对进入电子设备内部及触点界面尘土成分、 颗粒度、分布进行研究，为构造人工尘土提供实验参考，同时分布可以作为评判 实验效果的参考。 1 3 已有相关研究 要建立一套有效的用于估计尘土对电接触可靠性影响的测试方法需要考虑 多方面的因素，科研室前期针对尘土对手机内部连接器可靠性产生的影响的部分 因素做了研究与分析，其研究内容与成果主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 尘土的沉积特性及尘土对电接触的影响。尘土沉积与接触面方向和电压 密切相关。水平放置的表面会附着较大尺寸的尘土颗粒，这对电接触可靠性极为 不利。可用电极来吸附或收集带静电的尘土，高电压导致高尘土密度。电流作用 和时间作用都是原子扩散的结果。随着电流和时间的增大，表面硬度会降低，因 此，接触电阻与电流大小和作用时间有关。接触表面的石蜡润滑剂对降低尘土污 染没有帮助。相反，在小正压力下，有尘润滑表面可能会引起比有尘无润滑表面 更多的接触故障。即便在大正压力下，在刚开始的滑动周期内接触仍是不可靠的。 大电流下会产生磨损颗粒【l 们。 ( 2 ) 尘土颗粒带电对电接触可靠性的影响及电场对尘土沉积特性的影响。尘 3 北京邮电大学硕t ：研究生学位论文 土颗粒是带电的，带电的尘土颗粒在电场作用下易吸附在电接触表面引起电接触 故障。尘土颗粒中一部分带有负电荷一部分带有正电荷其正负电荷的变化趋势可 用一个一元三次方程表示。尘土颗粒所带的电荷量随着半径的增加而增大当尘土 颗粒半径在0 5 m m 和2 5 m m 之间时其所带的电荷在1 3 1 0 - 1 5 一1 1x1 0 叫6 c 之 间。由于尘土颗粒是带电的，颗粒在运动过程中穿过电场时会看看受到电场力的 作用。在电场的作用下，尘土颗粒的运动方向会发生变化，若电场是不均匀的则 尘土颗粒所受到的电场力的大小也是不同的，因而其在接触表面的附着密度也会 改变。电场前度越大，其对尘土颗粒的作用力也越大，场强越强的地方附着的尘 土颗粒的密度越大。电场的作用是连接器接触区污染严重的影响因素之一【i 。 ( 3 ) 尘土颗粒的腐蚀特性及尘土腐蚀对电接触可靠性的影响。尘土颗粒对金 属具有腐蚀作用。在一定温湿度条件下，尘土颗粒所包含的盐成分溶解于吸附在 金属表面的水膜中使水变成电解液，从而使金属发生电化学腐蚀，在接触金属表 面形成大量的绝缘的腐蚀物。温度升高、湿度增加都能提高尘土的腐蚀概率，但 尘土的腐蚀性随湿度的增加而增加要远大予随温度的升高而增加，即湿度对尘土 的腐蚀性影响要大一些。尘土本身的酸碱可行也是影响尘土腐蚀概率的一个重要 因素。尘土对金属的腐蚀作用主要是尘土滋生的腐好似作用以及尘土对空气中的 水分和有害气体的吸附作用。所以，尘土在电接触表面的腐蚀过程中，实际上有 “加速腐蚀 的作用。对失效的连接器分析表明：表面腐蚀通常与尘土同时出现， 这是大气环境中腐蚀性气体和尘土腐蚀综合影响的结果【1 2 1 。 1 4 本课题研究内容 实验室前期的研究主要集中在尘土的腐蚀特性、带电特性、沉积特性对触点 的影响，没有对电子设备内部尘土的来源、尘土进入电子设备后的分布状态、何 种尘土更容易进入电子设备等方面做出研究，本课题研究内容是尘土分布状态、 尘土颗粒度、失效触点晃面污染物尘土特性等的研究，是尘土测试方法研究的重 要组成部分，以此研究为基础能够为构造在尘土测试实验中使用的能够有效模拟 自然尘土对连接器的影响的人工尘土提供基础，并能为现有尘土实验提供改进建 议及实验效果评判参考。人工尘土组成包括成分组成和各成分的颗粒度范围，本 课题主要从统计、对比角度来研究自然失效电子设备内部、经振动加速尘土实验 后电子设备内部及触点界面尘土特性，为现有测试方法提供改进建议并为构建型 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 的尘土测试方法提供实验基础。本课题以手机为代表，对电子设备内部及触点界 面尘土特性进行研究，研究工作主要集中在以下三个方面： ( 1 ) 自然失效手机内部尘土特性分析。 尘土特性包括化学特性和物理特性，不同特性的尘土对电接触可靠性的影响 是不同的，因此需分析手机内部尘土形貌特性、手机内部尘土密度梯度研究及选 定区域尘土尺寸分布梯度，为尘土测试中的人工尘土尺寸及其他特性建立参考； 尘土在手机内部的分布特点，为尘土测试的模拟效果建立参考。手机内部尘土有 可能是在使用过程中进入的也有可能是在在制造过程进入的，研究生产过程中进 入触点界面尘土特性，分析触点界面尘土分布密度及尘土尺寸，判断尘土来源。 ( 2 ) 振动加速尘土实验手机内部尘土特性。 振动加速尘土实验的实验目的是为了测试手机结构的防尘作用，即测试手机 整机密封性，同时，帮助了解进入手机内部的尘土的尺寸分布、手机内部尘土的 分布状况，据此可以得出那些部件更易受尘土污染的影响，对设计人员改进手机 结构有重大指导作用，振动加速尘土实验与手机的实际使用环境越接近指导意义 越大，有必要对比研究振动加速尘土实验手机与自然失效手机内部尘土特性。振 动加速尘土实验手机内部尘土成分、分布特性及尘土尺寸分布特性研究，并将振 动加速尘土实验手机及自然失效手机内部尘土特性进行对比分析，这一对比研究 有助于分析现有实验的优缺点，并为实验改进提供参考建议。 ( 3 ) 失效触点界面尘土特性研究。 腐蚀物造成的电连接失效，通过接触电阻的测试判定连接器失效与否，然后 对判定为失效的连接器进行详细分析，从表面三维形貌，表面微观探测，及失效 区域成分探测方面提取一套失效连接器原始数据，根据原始失效数据分析腐蚀物 形貌及腐蚀物高度，并通过分析腐蚀物成分，研究腐蚀物中是否还有尘土成分。 进而从尘土特性方面进行系统的失效分析，研究失效触点表面尘土颗粒特性与触 点位置、手机使用时间、使用地点的关系，为不同地域尘土加速试验提供数据基 础。把进入手机内部的尘土与触点界面的尘土成分、尺寸、形状、分布状态方面 进行对比分析，以得出造成触点失效的尘土的来源、主要成分、尺寸等特征参数。 1 5 课题意义 本课题以手机为研究对象，主要研究自然失效手机及振动加速实验后手机内 部尘土的特性、失效连接器触点界面尘土特性、腐蚀物造成的电连接失效及尘土 对腐蚀的影响，通过对进入手机内部的尘土与触点界面的尘土成分、尺寸、形状、 分布状态等方面进行对比，可以得出造成触点失效的尘土的进入途径、主要成分、 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 尺寸等特征参数的相关结论；同时，通过对对自然失效手机内部尘土特性及振动 加速尘土实验手机内部尘土特性的对比研究，可以帮助了解振动加速尘土实验的 优缺点，为提出实验改进意见提供基础。本课题研究的目的是为构建有效的人工 尘土提供数据基础及参考，为构建有效的尘土实验方法提供依据。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章相关设备介绍 常用的表面微观探测的实验仪器有光学显微镜、扫描电子显微镜、x 射线能 谱仪、三维形貌仪、精密定位接触电阻测试仪、红外光谱仪等。其中，光学显微 镜较为常见，原理及操作较为简单，在此不再做具体介绍；而扫描电子显微镜与 x 射线能谱仪必须配对使用，缺一不可。 本课题涉及到的主要设备有：扫描电子显微镜( k ( y ) 、x 射线能谱仪等。 本章将简要介绍这几种仪器设备的工作原理与使用方法。 2 1 扫描电子显微镜 本论文实验所用扫描电子显微镜是由中国科学院仪器研制中心研制的 k y k y - 2 0 0 0 b 型15 1 ，支持软件由中国科学院仪器研制中心开发。 k y k y 一2 0 0 0 b 扫描电镜的工作原理，如图2 1 所示 一；一k 翌堡 燃舞；期摩 一 黝缎 l 一 囟 队墨翌竺 图2 - 1k y k y 一2 0 0 0 b 扫描电镜的工作原理图 7 回回 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 0 0 0 b 型扫描电子显微镜主要由三部分构成： 1 电子光学系统，包括电子枪、电磁透镜和扫描线圈等； 2 样品室； 3 样品室所产生信号的收集、处理和显示系统； 从电子枪的阴极发射的电子受到0 - 3 0 k v 高压加速，形成笔尖状的电子束， 经过三个磁透镜三级缩小，形成一束很细的电子束聚焦于样品表面。在末级透镜 上部的扫描线圈作用下，细电子束在样品的表面逐点扫描，电子束与样品相作用， 引起二次电子发射。这些二次电子经栅网上加的3 0 0 v 正电场的吸引，和1 0 k v 的电压加速后，打到由闪烁体、光导管、光电倍增管组成的探测器上，形成二次 电子信号。这些信号随着试样表面形貌、材料等因素而变化，产生的信号衬度， 经过视频放大器进一步放大后调制显像管的亮度，由于显像管偏转线圈和镜筒中 的扫描线圈的扫描电流是严格同步的，所以由探测器逐点检取的二次电子信号， 将一一对应地调制显像管上相应点的亮度，形成扫描图像。 扫描电子显微镜( s e m ) 用以观察表面的立体图像，因此可以用来观察表面 微观粗糙程度、电蚀陷坑、膜层厚度、磨粒形状尺寸等，比光学显微镜优越的多： 放大倍数可达1 0 2 0 万倍，比光学显微镜大2 0 0 倍以上；分辨率可达2 0 0 埃以 上；景深则比光学显微镜约大1 0 0 倍。扫描电子显微镜是利用电子束撞击固体表 面后与固体的原子、电子产生一系列内部作用，因而可以发射二次电子、背反射 电子、俄歇电子、特征x 射线等，然后为不同的接收器所接收，并转换成电信 号，再加以放大处理，于是可从不同的角度上了解固体表面情况。电子束撞击金 属样品后所发出的电子和x 射线的简图如图2 2 所示。 吸 收 享 入射电子柬 臂反射i 寸垅。 彦：饿- - - 生散射电子 透射及非弹 r 吉鱼寸目寸j 二1 e e e 图2 2 电子束撞击金属样品图 电子束撞击固体后出现两种效应，一为弹性散射，即主要由于电子撞击核后 在运动方向上出现明显偏移，但基本上不损失能量；另一种为非弹性散射，即入 射电子与原子核和束缚电子的非弹性撞击，入射电子损失能量，但同时在固体表 8 北京邮电大学硕l 研究生学位论文 面发射出电子来。后者提供了物体表面的主要信息。当快速运动的电子撞击原子 外层轨道上的电子时，其部分动能即传给该层电子，使之离开轨道发射出来，这 种发射电子一般具有较小能量，被称为二次电子。二次电子若接近物体表面，其 能量大于表面的势能壁垒，则溢出表面的机率将大大增加。二次电子容易被物体 吸收，如产生的深度超过i o o a ，则逸出表面的机率很小。电子离开该层轨道后 若有其他层的电子进行补充，在补位过程中将释放出能量，这种能量可能以x 射线形式发射出来。由于这种x 射线能量等效于该层电子的束缚能，并随元素 不同而异，因此它具有元素特征，称之为特征x 射线，用以表征不同的元素。x 射线能谱仪便是利用这一原理来识别不同的元素。 用扫描电镜观察样品形貌时，样品二次电子产生率与样品表面材料的原子序 数无关，而背反射电子的产生率随原子序数的增大而增加。背反射电子的产生率 在扫描电镜照片中反映就是颜色的深浅。对于两种原子序数相差较大的物质，在 使用扫描电镜进行观察时，表现为明暗程度不同的区域。 2 2x 射线能谱仪介绍 x 射线能谱仪1 叼的工作原理如图2 3 所示： 图2 - 3x 射线能谱仪工作原理图 来自样品的x 射线信号被一个硅( 锂) 半导体探测器所检测，在探测器两 端得到的电荷脉冲信号经过前置放大器积分成电压信号并加以初步放大，主放大 器将此信号整形并进一步放大，最后输入到多道脉冲幅度分析器中，按脉冲电压 幅度大小进行分类、累计，并以x 射线计数( 强度) 相对于x 射线能量的分布 图形式显示出来。能谱数据由计算机进行处理，可获得定性和定量结果。 硅( 锂) 晶体和前置放大器第一级的场效应管( f e t ) 一起放在一个低温恒 9 ! ! 塞些皇查茎堑圭些圣耋茎堡篁兰 温箱里，以限制晶体中锂的迁移和减少电子线路噪声。低温恒温箱是一个通过冷 质与液氮杜瓦瓶相连的真空装置，x 射线经过低温恒温箱顶端的镀窗进入并打到 探测器上，加在硅( 锂) 半导体上的偏压由一个低电流、低纹波因素和高电压的 电源供给。 对能谱图的处理主要包括定性分析和定量分析。定性分析是分析未知样品的 第一步，即鉴别所含的元素。如果不能正确地鉴别样品的元素组成，最后定量分 析的精度就毫无意义。通常能够可靠地鉴别出一个样品的主要成分，但对于确定 次要或微量元素。只有认真地处理谱线干扰、失真和每个元素的谱线系等问题， 才能做到准确无误。为保证定性分析的可靠性，采谱时必须注意两条：第一，采 谱前要对能谱仪的能量刻度进行校正使仪器的零点和增益值落在正确值范围 内；第二，选择合适的工作条件，以获得一个能量分辨率好、被分析元素的谱峰 有足够计数、无暇峰和杂散辐射干扰或者干扰屉小的e d s 谱。定量分析是通过 测量x 射线强度来获取组成样品材料的各种元素的浓度。根据实际情况，人们 寻求并提出了测量未知样品和标准样品的强度的方法，再把强度比经过定量修正 换算成浓度比。最广泛使用的一种定量修正技术是z a f 修正。 2 3 精密再定位接触电阻测试仪 精密再定位接触电阻测试仪是实验室根据课题研究需要自制的一台接触电 阻测试的仪器，系统的组成组件包括：精密移动定位装置、运动控制器、伺服电 机及其驱动嚣、音圈电机及其驱动器( 接触压力调节装置) 、电位差测试用的恒 流源、电位差计、专用央具、p c 机、工作台及其支架等，如如图2 _ 4 所示。 精密定位测试系统是一套接触压力参数控制、精密定位的接触电阻自动测试 系统。如图2 5 所示。 盗密 图2 - 4 精密再定位洲试系蜕实物图 图2 - 5 精密再定位测试系统蛄构图 主要技术指标如下： 些塞些：! 查兰堡：竺! ! 圭兰堡堡圣 重复定位精度：l 1 9 r n ；加载力精度：1g t 加力范围：o 5 0 0 9 ； x , y 平面行程分别：o l o o m m ；接触电阻测量精度：0l m , q 。 图2 6 四点法测接触电阻连禧圈 精密再定位接触电阻测试仪电位差测试原理是传统的四点法测接触电阻的 方式，测试原理图如图2 - 6 。 将恒定的电流通过接触点由于接触电阻的存在而产生电压降，用测得的电 压除以恒流源的电流值就能计算出接触电阻。 此仪器与传统的测试接触电阻的仪器相比，有精密的定位系统能够连续等 间隔的测试某个感兴趣的测试区域的接触电阻，能根据计算机程序要求对接触电 阻自动测试。 2 4 三维形貌分析仪 三维形貌仪是铡量样片的表面 l 糙度等信息，根据光干涉原理，非接触测量， 保证不破坏样片而获取其表面信息的一台精密设备如图2 - 7 。有两种工作模式； p s i ( p h a s o - s h i f l i n gi n t c r o m e t t y ) 模式用来测量较光滑表面和v s i ( v e r t i a l s c a n i n g i n t e r f e r o m e t e y ) 模式可以测量较粗糙的表面和台阶。具体指标见表2 - 1 。同时， 三维形貌仪还具有近2 0 0 个技术参数，如算术平均粗糙度r a 、均方根粗糙度r q 、 最大峰高r p 、最大谷深r v 等，几乎包含了各种表面形貌信息，能够详细表征表 面的三维形貌特征。出于三维形貌仪采用干涉光方法测量表面形貌，因此样片表 面的反光性必须好。 图2 7 三维彤挽仪 北京邮电大学硕士研究生学位论文 表2 - 1 三维形貌仪技术指标 模式测量范围垂直分辨率 单次测量多次测量( 平均) p s i1 6 0 h mo 3n i n0 3n l n v s l 5 0 0 i t m 3 r i m 1 0 0 0 a 2 1 0 0 0 0 a 3 1 0 _ 0 0 “ 1 51 4 3 8 5 0 0 00 表4 - 5p c b 正面颗柱敏量兢计结果草位：个 区域尺寸8 ) p m 1 0 0 2 0 0 j5 0 1 0 0| l oi 1 0 0 0 1 0 0 0 0 l o o a 4002 05 0 a 5001 55 0 袁4 - 6p c b 反面纤维数量统计结果 单位：个 区域 尺寸段p r o 1 0 0 0 - 2 0 0 0 5 0 0 1 0 0 0 2 0 0 - 5 0 0 1 0 0 - - 2 0 0 b 102 8l l o5 0 b 22l53 5 b 3 b 4】3 5 1 l o1 1 7 0 02 j 5 10 北京邮电人学硕士研究生学位论文 表4 - 7 p c b 反面颗粒数量统计结果 单位：个 区域尺寸段u m 1 0 0 2 0 05 0 1 0 0l o 一5 0 l 0 0 0 b 2052 0 1 0 0 0 b 3 1 0 0 0 0 1 4430 1 0 0 0 b 5001 2 1 0 0 注：振动加速尘土实验后，手机中p c b 正面a l 、a 2 、a 3 及p c b 反面b 3 区 域中的尘土堆积在一起，现有的实验方法下无法清楚识别，故对上述四个区域中 的纤维、颗粒不做尺寸上的划分，只给出大致数量，掌表示a 1 、a 2 、a 3 、b 3 纤 维及颗粒数量为估算值。 分析结果：尘土实验后，手机中尘土堆积严重，主要集中在a 2 及b 3 区域， 尘土分布不具有与自然失效手机中尘土分布相同的规律性，手机内部的颗粒尺寸 绝大部分小于1 0um ，振动条件下颗粒被振碎。 4 4 振动加速尘土实验后手机内部尘土特性与自然失效手机 内部尘土特性的比较 对比图3 8 、图3 - 9 、表4 - 4 、表4 - 6 可以看出，人工尘土和自然尘土在纤维 的尺寸范围上是相符的，但是在纤维的分布上存在较大的差异，自然失效手机中 的纤维分布基本上符合按距离尘土入口的远近从外向内递减的规律；而振动加速 尘土实验后的手机中，在p c b 正面a l 、a 2 、a 3 区域及p c b 反面b 3 区域中有极 其明显的纤维聚集。振动加速尘土实验手机内部尘土密度，特别是纤维的密度， 要远大于实际失效手机中纤维的密度，建议在人工尘土中适当降低纤维的比重。 对比图3 1 0 、图3 1 l 、表4 5 、表4 7 可以看出，振动加速尘土实验后的手 机和自然失效手机中尘土颗粒在尺寸上存在较大差异，自然失效手机中尘土颗粒 尺寸在1 0l am 2 0 0pm ，其中小于5 0ur n 的颗粒占多数，而振动加速尘土实验 后的手机中的尘土颗粒主要是小于1 0 um 的颗粒，且各尺寸段的颗粒数比率与 自然失效手机也不同。尘土实验中所使用的人工尘土颗粒尺寸都大于1 0 0 um 的， 但是在此实验振动条件下将颗粒振碎，故实验中进入手机的颗粒尺寸集中在l o um 以下。 尘土分布上，实验手机中部( 对应p c b 正面区域3 ，p c b 反面区域3 ) 尘土 聚集现象严重，甚至比手机与外部接口处( 对应p c b 正面区域1 ，p c b 反面区域 3 3 北京邮电人学硕士研究生学位论文 1 ) 还要严重，不符合实际失效手机中尘土分布向手机内部方向上递减的规律。 表4 8 实际失效手机内部尘土成分与尘土试验后手机内部纤维成分对比 兀自然失效 人工尘土 素元素重量百分比原予百分比元素重量百分比原子百分比 c 一( k a ) 7 5 o8 0 36 8 47 4 5 0 - ( k a ) 2 3 71 9 03 0 42 4 8 n a 一( k a ) o 9o 51 20 7 s 一( k a ) o 0o 0 o 1 o 0 c 1 - ( k a ) 0 10 1 o 0 0 o k 一( k a ) 0 2o 1 0 oo o 通过分析可以发现尘土成分上，实际失效手机内部尘土成分与尘土实验后手 机内部尘土成分对比之后发现，两种尘土中纤维的成分基本上是一致的，而颗粒 的成分存在较大差异。尘土中约含有8 0 ( 按重量计) 的无机物，2 0 的有机物。 尘土吸附到接触表面后，通过电镜和能谱实验，可发现在接触表面的一些区域有 大量的s i ，a i ，m g , kc a , n a , c 等元素，它们是典型的尘土成分，通常以石英，云 母，石膏等无机化合物形态存在。灰尘中所含砂粒，可能擦伤镀层表面以致暴露 基层金属使基层金属受到腐蚀。从北京西部地区室内收集的尘土组成：约7 0 的 为无机物，其中：非水溶性物质占6 0 ( 石英3 5 ，长石2 7 ，云母1 5 ，石 膏2 ，方解石1 7 ) ；可溶性物质( 盐) 的1 0 ；3 0 为有机物。振动加速 实验中使用的人工尘土中不包含有机物，可能是积极与以下两点考虑：非常复 杂，很难将有机物用于人造尘土中；有机物的存在会对尘土的粘接产生影响， 但是，在实验中模拟该现象比较困难。 4 5 关于振动加速尘土试验的建议 1 、鉴于尘土污染的严重性、尺寸范围的较大差异，把接口附近( 耳机连接 器，充电器连接器、振子连接器、麦克风连接器) 的尘土实验和手机内部连接器 尘土实验可以区分开来。 接口附近耳机连接器，充电器连接器、振子连接器、麦克风连接器的实验尘 土可以选择尺寸范围较广( 颗粒2 0 0um 以下，纤维l m m 以下) 。沉积密度可参考 下表，或者为了加速模拟，可以增加一定倍数。 而实际失效手机内部5 0um 以上的颗粒及各尺寸范围的纤维较少，试验尘土 北京邮电人学硕士研究生学位论文 可以以5 0i xm 以下的颗粒为主。 表4 - 9 纤维密度单位：个m m 2 淑 1 0 0 0 - 2 0 0 0l im5 0 0 1 0 0 0 l im2 0 0 5 0 0 i i ml o o 2 0 0u m l o 0 0 30 51 o 表4 - 1 0 颗粒密度单位：个r a m 2 淑 1 0 0 2 0 0 um5 0 1 0 0 i l m1 0 5 0 u m l0 56 72 2 2 2 、在不同区域，不同尺寸范围的纤维在元素组成及百分比上都是比较一致 的，在实验尘土中可以选取同种材料，不同尺寸的纤维，但是颗粒相对复杂，不 能用一种材料来代替。此外，在实际失效手