扫描电镜在空调行业中的应用

扫描电镜在空调行业中的应用

邓梦 ,王若楠

珠海格力电器股份有限公司 广东省珠海市 519000

摘  要：扫描电镜是空调行业中及其重要的研究设备，其引用范围囊括了包括研发、测试、生产售后等多个环节，是保障空调质量的核心设备之一。通过扫描电镜可以确定异常或损坏的具体位置，明确损坏的失效形貌，对于确定异常的直接原因和改善建议起到了关键作用。作者通过针对具体案例，分析了异常的原因并提出改善建议，充分地表述了扫描电镜在空调行业中的应用。

关键词：扫描电镜；空调；异常原因；改善建议

Application of scanning electron microscopy in the air conditioning industry

DENG Meng，WANG Ruonan，

Summary: Scanning electron microscopy is an air conditioning industry and its important research equipment, which includes one of the core devices including R & D, testing, after-sales, etc., is one of the core devices of air conditioning quality. By scanning electron microscopy, the specific location of abnormal or damage can be determined, and the failure of damage is clear, and it has played a key role in determining the direct causes of abnormalities and improvement recommendations. Through the specific case, the author analyzed the cause of abnormalities and proposed improvement, the author fully expressed the application of scanning electron microscopy in the air conditioning industry.

Key words: scanning electron microscope; air conditioning; abnormal reasons; improvement suggestions

0  引  言

扫描电镜（SEM）利用子枪发射电子束，经过磁透镜聚焦，用光阑选择电子束的尺寸，再通过扫描线圈，再透过物镜聚焦后打在样品上，在样品上侧装有信号接收器，通过分析接收器接收到的信号成像。这种工作特性使得扫描电镜具有极高的放大倍率（百万倍）及景深，因此深受空调行业失效分析工程师的青睐，是异常研究和失效分析的核心设备。

1  扫描电镜介绍

扫描电镜是用稳定的、可控的电子束轰击样品，激发出二次电子、背散射电子、特征X射线等各种信号，并用不同的信号探测器进行检测的扫描式电子显微镜。电子束激发的信号随样品的成分特征而不同，但都携带特定的信号，信号由采集器放大处理后，经显像管处理后在显示器上呈现物体的表面立体形貌，可保存为照片。扫描电镜成像的景深是光学显微镜的100倍以上，因此，扫描电镜得到的图片极具立体感，能够提供比光学显微镜更多的信息，这在空调行业的应用当中非常有用。扫描电镜拍摄的电子显微图片能细微、高景深的展现出样品的形貌，在生产、开发、研究、应用等过程中有及其重要的作用，在产品的失效分析、可靠性验证以及工艺优化上是一个非常有效的手段。

1.1  扫描电镜工作原理

扫描电镜电子柱及其主要部件结构如图1所示

图1扫描电镜电子柱及其主要部件结构

1.2  主要部件结构：

如图1所示，电子柱顶端是电子源，电势管在外面包裹着内部聚光镜、对中线圈和光阑隔板，镜筒部位的结构从上到下分别是第二磁透镜、象散校正器、扫描线圈、结合静电-电磁物镜即嵌入其中的探测器等。

1.3  原理简述及放大倍率：

扫描电子显微镜是一种利用高能聚焦电子束扫描样品表面，从而获得样品信息的电子显微镜。所以其使用电子束为照明源，电子束在样品表面扫描，利用电子和物质作用所产生的信息结合电子光学原理进行成像。判断扫描电镜性能主要依据分辨率和有效放大倍数。分辨率即能够分辨的最小距离。

通常采用阿贝公式定义分辨率，公式（单位为nm）为：

R=0.6λ/nsinα （1）

式（1）中：R为分辨率；λ为波长；n为折射率；α为孔径半径。

有效放大倍数定义为：

M=Rp/Rm

（2）

式（2）中：Rp为人眼能够区分的最小距离，Rm为机器能够分辨的最小距离，比如人眼可以区分0.2mm，机器可以区分1 nm，那么这台仪器有效放大倍数是20万倍。针对不同的有效放大倍数，扫描范围也会有所区别。

2  扫描电镜在空调行业中的应用

扫描电镜在空调行业当中的应用贯穿了研发、测试、生产、售后服务等全过程，是行业做大做强必不可少的一台分析设备。主要应用于：定位电子元器件的失效位置，分析元器件的失效原因；观察产品微观形貌，改进工艺水平及寻找加工缺陷；观察金属损伤形貌，分析连接处等部位金属的失效原因；研究产品失效性质，预防后续可能出现的产品失效。

2.1  使用的意义

品质是产品的生命，提高产品品质就是延长产品的寿命，产品零部件的损坏是影响产品寿命的直接原因。因此，减少和预防产品零部件失效非常重要，而扫描电镜在这个环节中不可或缺。扫描电镜的微观观测能力能有效的分析出产品零部件的失效原因，为事故的责任认定、产品的更新迭代等提供科学依据。在产品研发测试过程中，扫描电镜能为开发人员和测试人员提供关键信息，从而增加产品的技术含量。

2.2  使用的步骤

（1）调查。收集样品失效现场信息，收集失效样品，询问相关人员。从而判断是否需要使用扫描电镜。

（2）评估风险。扫描电镜对样品有要求限制，根据样品具体情况判断样品是否会对扫描电镜造成损伤，扫描电镜是否会损伤样品，评估测试风险。如空隙较多、且脆弱的样品则有可能在抽真空时损伤样品。

（3）样品制备。扫描电镜的观测样品需满足至少三个要求，1小，越小的样品导电导热性越好，观测效果越好；2净，保持样品的新鲜程度，避免油渍等污染，必要时可用酒精超声波清洗以清除污渍；3稳，底部尽可能平整，减小接触电阻，底部不平的可用银胶填满缝隙。样品制备遵循取样、清洗、粘样、镀膜（若SEM设备具备对不导电样品成像的能力则此环节非必要）、放置的顺序进行处理。

（4）制定方案。根据样品特性，制定扫描电镜的拍摄方案，提前计划SEM参数选择能明显的提高成像速度。

（5）实施。将制备好的样品放进SEM样品仓，抽真空后按照预定的方案选择设备参数，选择合适的放大倍率同时调整设备参数使所成的像清晰。

（6）分析结果。根据失效形貌提出失效性质、失效原因；提出改善建议。

3  案例及分析结论

（1）案例一：研发阶段；

某公司空调外壳采用新的防腐蚀掺杂工艺，打样后对样品进行工艺水平评估。

掺杂工艺局部图见图2，从图中能看到掺杂颗粒与外壳材料之间存在空隙。

将空隙局部图进一步放大观察，见图3，掺杂颗粒呈凸起状，外壳材料与掺杂颗粒明细分离。

图2  掺杂防腐颗粒后空调外壳形貌  放大倍率X50K

图3  掺杂防腐颗粒后空调外壳形貌  放大倍率X100K

（2）案例二：测试过程；

某公司空调外机在经过高温高湿实验后出现外壳腐蚀现象。需要对该现象进行分析，确定腐蚀具体部位。

部分外部腐蚀形貌见图4，从图中能看到表面被腐蚀，存在腐蚀后空洞。

将腐蚀处截面研磨，继续观察发现空洞位置出现在不同材料的交界处，是因为不同材料之间无法较好的粘接导致空洞的产生。

图4  部分腐蚀处外部形貌  X75

图5  腐蚀部位截面图  X200

（3）案例三：生产售后；

某公司空调主板损坏，分析后发现是主板上IPM异常。进一步使用扫描电镜观察见图6，从图中看到IPM外部引脚间异常连接，存在明细毛刺现象。

将毛刺生长源头放大至4000倍观察，见图7，毛刺与引脚呈一体状，说明该异常并非由于外部杂物掉落导致，而是引脚自身生长而成。

图6  IPM外部引脚异常连接  X200

图7  外部引脚异常连接局部放大  X4k

3.1  改善建议

（1）案例一。减小掺杂颗粒体积，添加粘合剂，改善掺杂工艺。

（2）案例二。检查机器是否存在机械应力冲击，检查外壳工艺是否合理。

（3）案例三。追责IPM生产厂家，审查其打线机等器件生产设备。

4  结束语

随着科技的进步发展，产品的更新换代速度日新月异，产品的质量就显得愈发重要。在空调行业中，无论是开发单位还是售后处理部门，都必然存在产品零部件失效的问题，这些失效问题多种多样。但必须承认的是，扫描电镜在解决这些失效问题中能起到非常关键的作用，能科学精准的找到问题的直接原因，进而反馈给产品研发设计，改善产品质量，提高产品品质。扫描电镜作为高端分析设备，在空调行业中的应用一定会越来越广泛，在空调行业中的作用也会越来越重要。

参考文献：

[1] 杨德清，庄伟.1版.电子发射原理与应用.昆明：云南大学出版社，1995.08.

[2] C.W.奥拓莱.扫描电子显微镜 第一册仪器.葛肇生等译.北京：机械工业出版社，1983.01，P81-88.

[3] 西门纪业，葛肇生.1版.电子显微镜的原理和设计.北京：科学出版社，1979.12.

[4] G D Danilatos.“Foundations of Environmental Scaning Electron Microscopy”[J].Adv Electronics and Electron Phys.1988,71，P109-250.

[5] A.V.Crewe et al.，Rev.Sci.Instrum，39,1968， P576.

[6] 廖乾初，蓝芬兰.1版.扫描电镜分析技术与应用.北京：机械工业出版社，1990.03.

[7] O.C.Wells：Scanning Electron Microscopy.McGraw Hill.NewYork，1974.

[8] 田中敬一，永谷隆.图解扫描电子显微镜——生物试样制备.北京：科学出版社，1974.05.

[9] 施明哲.扫描电镜在半导体器件失效分析中的应用.中国电子学会可靠性分会第三届学术年会论文选.下册1985.11.

[10] Holt D.B.In：Holt D.V.Joy DC，editors.SEM Microcharacterization of Semiconductors，Loodon；Academic Press，1989.

[11] 张铭诚，袁自强等.1版.电子束扫描成像及微区分析.北京：原子能出版社，1987.5.

[12] （美）J.I.戈尔茨坦等.扫描电子显微技术与X射线显微分析.张大同译.北京：科学出版社，1988.08.

[13] 中科院半导体所理化中心.半导体的检测与分析.北京：科学出版社，1984.05.

作者简介：邓梦（1993.08—），男，汉族，广东清远人，助理工程师，学士，主要从事失效分析工作。