某型繼電器批次性質量問題的警示

莫劍冬

(上海航天設備制造總廠，上海，200245)

試驗與檢測

某型繼電器批次性質量問題的警示

莫劍冬

(上海航天設備制造總廠，上海，200245)

本文介紹了某型號產品繼電器批次性質量問題，該問題導致了產品大批次返工返修，造成了重大經濟損失。通過歸零分析，將質量管理中的問題充分暴露出來，不僅給相關責任單位帶來了警示，在產品質量控制中的我們也得到了啟示。

繼電器；質量；激光焊接

1 引言

某型號產品在整機調試過程中出現了1只繼電器失效故障。失效繼電器送元器件分析中心進行失效分析后發現，失效繼電器動簧片根部存在裂紋，其觸點壓力消失，相對位置不再受到限制，在較輕微的振動、沖擊等外界環境影響下，動簧片的相對位置即發生改變，動簧片與常閉分離，表現出該組常閉觸點不通現象。經機理分析，屬于個別失效問題。

隨機抽取本批22只同型號繼電器經過開蓋分析，發現5只繼電器內部使用的聚酰亞胺薄膜存在燒蝕碳化現象，見下圖1。碳化層易脫落薄膜本體，構成多余物，經復查為批次性質量問題。

圖1 聚酰亞胺薄膜碳化圖示

2 問題定位

根據故障現象，繪制故障樹如下圖2：

圖2 絕緣薄膜燒蝕問題故障樹

因素X1: 聚酰亞胺薄膜自身質量問題；

因素X2: 繼電器殼體封裝時焊接高溫導致；

因素X3: 聚酰亞胺薄膜在使用過程中經歷高溫燒蝕。

該聚酰亞胺薄膜是在繼電器殼體裝配時，安裝在殼體與減振簧片之間，起到潤滑、導向作用，另外一個主要目的是防止裝配過程中，減振簧片與殼體裝配時發生刮蹭，從而產生金屬多余物。

由于在繼電器生產過程中，聚酰亞胺薄膜屬于零件單獨進行配套，而且在裝機過程中有操作和檢驗人員的雙重把關，因此可以排除聚酰亞胺薄膜零件本身存在燒蝕的情況，即排除故障因素X1。也就是說，聚酰亞胺薄膜是在裝入繼電器殼體后，經歷高溫灼燒而發生碳化。

該型號繼電器由國內某元器件廠生產，原殼體封裝采用的焊接方式為釬焊，但釬焊過程需要釬劑參與，釬劑易飛濺，會產生多余物，非金屬多余物會對繼電器觸點造成斷路故障，金屬多余物會對繼電器造成斷路故障。由于繼電器內各觸點的動作幅度非常小，僅在微米級別，因此均在十萬級潔凈廠房內進行裝配和調試。如存在多余物，將會對器件帶來嚴重的質量隱患。

本批繼電器殼體封裝采用的是激光焊接形式，在開蓋檢查的22只繼電器中，發現5只繼電器內部的聚酰亞胺薄膜被燒蝕。取出被燒蝕的聚酰亞胺薄膜測量對比，發現5只被燒蝕的薄膜(A型)明顯比另外17只產品的薄膜(B型、C型)長約5mm，見下圖3。由于繼電器在印制板產品上的使用環境良好，不存在高溫的使用條件，且內部工作電流均滿足繼電器的使用規范，不可能燒蝕內部電路，且繼電器觸點上也沒有發現燒蝕現象，因此排除故障因素X3。A型薄膜由于長度距離激光封焊焊縫距離很近，激光焊接時產生的高能量將距離焊縫位置較近的聚酰亞胺薄膜燒蝕，形成碳化物，因此故障是由于因素X2造成。

A型 B型 C型

在開蓋分析時，發現聚酰亞胺薄膜存在三種狀態，具體情況見下表1，外形見圖3。

表1 聚酰亞胺薄膜使用狀態

在開蓋分析時，出現燒蝕的聚酰亞胺薄膜技術狀態為未裁剪的95mm(A型)，其余兩種技術狀態未發現聚酰亞胺薄膜燒蝕現象。本批次繼電器產品共配套聚酰亞胺薄膜5500片，配套有兩種技術狀態，見下表2。對裝配過程復查，結果如下表3：

表2 聚酰亞胺薄膜配套狀態

表3 31200115批薄膜實際使用狀態復查

從復查結果看，在708#之前，實際使用的聚酰亞胺薄膜有A型、B型和C型三種狀態。因此，本批繼電器在708#之前的產品中存在95mm長的聚酰亞胺薄膜被燒蝕的質量隱患。

2011年底，該元器件廠技術部門對該薄膜零件的尺寸進行了更改，A型更改為C型。本批繼電器于2012年1月份開始配套零件，2月份零件齊套開始裝配生產，但由于在薄膜設計更改過渡期間，配發到裝配車間的薄膜有A型和C型兩種狀態。設計人員只是口頭要求操作人員根據實際情況對薄膜進行剪裁后(B型)繼續使用，存在處置隨意性。

綜上所述，繼電器內聚酰亞胺薄膜被燒蝕是由于設計更改后，未及時將現場使用的過長薄膜進行處理，導致A型薄膜仍然使用于產品內，過長的薄膜超出了內側底板，靠近激光焊接位置而被高溫燒蝕。

3 機理分析

該元器件廠生產的此批繼電器采用了激光焊接方法替代原有釬焊方法進行殼體封裝。聚酰亞胺薄膜材料的耐受溫度為400℃，由于釬焊熔化溫度在235℃左右，即使聚酰亞胺薄膜接觸到焊縫位置的高溫，也不會出現高溫碳化現象。

激光焊接是將具有優異的方向性、高亮度、高強度、高單色性、高相干性等特點的激光束輻射至加工工件表面區域內。激光束經過光學系統聚焦后，其激光焦點的功率密度為104-107w/cm2，通過激光與被焊材料的相互作用，在極短的時間內使被焊處形成一個能高度集中的熱源區，熱能使得被焊材料區域熔化后冷卻結晶形成一個牢固的焊點和焊縫。它具有能量密度高、熱輸入低、熔化區和熱影響區窄而熔深大，工件熱變形小，加熱和冷卻速度快，使得激光焊劑工件的力學性能與未焊材幾乎相同，其焊接部分拉伸強度等于甚至高于原材料。除此以外，激光焊接還可以用于微型焊接。激光束在經過聚集后可獲得很小的光斑，且能精密定位，可應用于大批自動化生產的微、小型元件的組焊中。如元器件殼體封裝、集成電路引線、顯像管電子槍組裝等。這些焊接由于采用了激光焊接，不僅使生產效率大大提高，而且熱影響區小、焊點無污染，很難產生焊接多余物，大大提高了焊接的質量。

激光焊接屬于熔焊，殼體材料熔化溫度約為1083℃，遠遠高于聚酰亞胺薄膜材料的耐受溫度。激光焊接為激光束發射后聚焦在焦點上形成高能量束，光斑直徑越小，能量越集中。激光封焊時溫度梯度及焊接軌跡見下圖4所示(假設激光焊縫為線熱源，溫度呈高斯分布)。光斑焦距核心區域激光瞬間熔化金屬溫度達到1500℃左右，距離焦距核心區為2mm的位置，激光傳遞到該區域溫度已降低到600℃，距離焦距核心區為4mm，該區域溫度已降低到100℃。聚酰亞胺薄膜耐受溫度臨界線距離核心熔化區距離為2.8mm。

圖4 激光焦距與距離示意圖

繼電器殼體內部聚酰亞胺薄膜包絡部分(距離封焊縫處)總長度96.48mm，如薄膜長度為95mm，則薄膜端部至焊縫的距離為(96.48-95)/2=0.74mm，因此薄膜邊緣約2-0.74=1.26mm處于600℃高溫區域，會出現高溫碳化現象；當薄膜長度更改為90mm后，則薄膜端部至焊縫的距離為(96.48-90)/2=3.24mm>2.8mm，薄膜邊緣溫度低于400℃，不會出現高溫碳化現象，同時該薄膜具有中心定位功能，不會出現向一側滑動現象，即不會出現一側距離焊縫位置過近而被激光焊接高溫所燒蝕的情況。

因此，由于A型聚酰亞胺薄膜長度較長，薄膜邊緣處在激光焊接高溫區域，導致聚酰亞胺薄膜出現高溫碳化，被燒蝕的現象。將聚酰亞胺薄膜端部一小部分夾持在基座組合與罩殼配合間隙處，距離焊縫小于2.8mm，當激光封焊后拆殼進行檢查，發現聚酰亞胺薄膜出現被燒蝕現象，問題得到復現。

4 啟示

該質量問題導致了某產品型號兩個批套產品印制板返工返修，嚴重影響了型號的交付節點，造成直接經濟損失達數十萬元。由于存在質量隱患的繼電器無法開蓋返修，因此對該元器件廠造成了重大的經濟損失多達幾百萬元。小小的聚酰亞胺薄膜卻造成了重大的經濟損失，教訓深刻。

1)必須冷靜對待技術創新。新技術、新工藝的應用能帶來較大的經濟效益以及質量提升，本身不存在危害，但往往由于人們對新技術、新工藝的認識不到位，沒有進行有效的風險評估，最后評審沒有把好關就會造成新的質量隱患。該問題就是由于釬焊工藝方法更改為較先進的激光焊接方法，原本以為可以減少多余物，卻忽視了激光的高溫影響。因此，把好技術、質量評審這一關對于型號質量管理尤為重要，不能盲目熱衷新技術，要冷靜對待。

2)工藝技術人員缺乏質量意識。該元器件廠的操作人員反饋了該聚酰亞胺薄膜過長不便于裝配的問題，而技術人員卻忽視了該問題，隨意指揮，并沒有按工藝更改程序處理該問題，造成了批次性質量問題。因此不斷強化質量意識對于批產型號的管理有著更為重要的意義，也是降低風險的有力措施。

5 結論

生產任務量大、生產節奏快、外協單位多是型號產品批產后的特點，如何控制好產品質量，將成為質量管理的重中之重。通過該繼電器批次性質量問題的警示，再次告誡我們要加強質量意識，對于新技術、新工藝在成熟產品上的應用更要加嚴審核，充分進行風險評估、試驗驗證后才能實施，將風險降低到最小，嚴格保證型號產品的可靠性。

2015-09-02

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.05.006

TN784

A

1000-6133(2015)05-0021-04