繼電器銀遷移失效模式分析探討

黃華才，韓征權

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

繼電器是一種控制元器件，負責信號傳遞、系統配電、電路轉換控制，廣泛應用在航空、航天、船舶等領域。產品的質量可靠與否，直接決定武器系統的成敗。

近年來，繼電器使用環境越來越苛刻。不同的環境使用，對繼電器的性能影響存在差異，海洋環境對產品的影響比較大。長期暴露在惡劣環境下，產品易腐蝕、起泡、剝落等，引起電器短路、活動元器件卡死、電磁機構腐蝕、表層損壞、絕緣材料性能降低等，從而導致電特性失效，失去作用。故產品出廠前需經受各種試驗測試，濕熱試驗是其中一項重要的手段。本文以某繼電器絕緣電阻失效為研究對象，分析其失效原因，提出改進措施。

2 絕緣電阻不合格原因分析

2.1 不合格現象

公司某繼電器產品的基座組合鍍覆采用的材料是：基板、接線腳為Ep.Ag7，正常條件下，某繼電器接線腳與基板間絕緣電阻要求≥100MΩ，高溫高濕環境下：≥5MΩ，測試電壓100VDC。在裝機通電使用中發現該繼電器接線腳與外殼間絕緣電阻只有幾十歐姆、甚至為零的短路現象，該絕緣電阻不符合使用要求。將該產品拆卸用肉眼仔細觀察，發現繼電器接線腳的玻璃絕緣子邊緣有散狀多余物存在，進一步借助掃描電鏡觀察，發現其內部玻璃絕緣子表面有散狀的白色多余物。

2.2 不合格問題原因分析

鍍銀工藝被廣泛用于電子工業、通訊配置和儀器儀表制造業中，鍍銀具有很高的導電性、焊接性能和對有機酸和堿的化學穩定性。因此，鍍銀工藝使用在繼電器零件電鍍中。從庫房找到上述不合格的同批次產品，進行外觀檢查，未發現白色多余物，然后進行電性能測試，產品合格。為進一步查找原因，查閱繼電器相應的技術規范，按該產品詳細規范要求(接線腳和基板間未規定加極化電壓)進行穩態濕熱96h試驗、高溫、低溫儲存、溫沖、溫循試驗，經過30天的相關試驗，繼電器玻璃絕緣子表面未出現散狀的白色多余物附著，經檢測，各項性能指標均滿足技術標準規定，故障原因未復現。

根據多年的試驗經驗分析，并結合白色多余物檢測，發現白色多余物含有銀離子，這與零件鍍層有關，同時發現該繼電器長時間在通電的海洋環境下使用，故需進行新的試驗。

2.3 不合格復現試驗

根據上述分析，除了按照繼電器標準規定的穩態濕熱試驗外，還需按GJB360B-2009方法106規定進行了交變耐濕試驗，循環為10次；試驗期間，在接線腳與基板之間，加上100Vd.c的極化電壓，試驗循環圖按照圖1所示。

圖1 濕熱試驗循環圖

方法為：

步驟1 試驗箱內的溫度應在2.5h內從(25±2)℃升至(65±2)℃，在此期間，相對濕度為90%～100%。

步驟2 在溫度為(65±2)℃及相對濕度為90%～100%條件下保持3h。

步驟3 然后，試驗箱溫度應在2.5h降至25+10 -2℃，相對濕度為80%～100%。

步驟4 從第8h開始，試驗箱溫度應在2.5h內從25℃升至(65±2)℃，在此期間，相對濕度為90%～100%。

步驟5 在溫度為(65±2)℃及相對濕度為90%～100%條件下保持3h。

步驟6 然后，試驗箱的溫度應在2.5h內降至(25±2)℃，相對濕度為80%～100%。

步驟7 在溫度為(25±2)℃，相對濕度為90%～100%條件下持續至第24h循環結束。

在交變耐濕試驗期間，每隔24h箱內進行一次絕緣電阻測試并記錄，試驗進行到第5天時，既第5次循環時，發現絕緣電阻急速下降，甚至短路。不合格故障復現。

此時，樣品從試驗箱內取出，先用肉眼檢查外觀，發現接線腳的玻璃絕緣子有模糊散狀的白色多余物存在，并用掃描電鏡觀察，發現其內部玻璃絕緣子表面已有散狀的白色多余物(如圖2 所示)。

圖2 白色多余物狀態圖

2.4 白色物質檢測

為進一步確認白色物質的成分，使用能譜儀對白色物質進行檢查分析，如圖3 和表1所示，發現白色物質中銀元素含量較高，達到87.87%，因此可以確定該白色物質為銀，來源于零件鍍層。

圖3 白色多余物狀態圖

表1 白色物質成分

發生銀離子遷移的機理如下：

(1)金屬銀因銀電極間的電位差以及表面從周圍環境存在的水而發生電離。

Ag→Ag++H2O→H++OH-

(2)Ag+和OH-在陽極端生成AgOH析出。

Ag++OH-→AgOH

(3)AgOH分解，在陽極端形成Ag2O，并成膠體狀分散。

2AgOH?Ag2O+H2O

(4)生成的Ag2O與H2O反應，形成的Ag+向陰極移動、析出，形成樹枝狀。

Ag2O+H2O?2AgOH?2Ag++2OH-

影響銀離子遷移的因素有電場、溫度、濕度、不純物、基材等。該繼電器產品的基板、接線腳采用銀鍍層，同時又在海洋環境下長時間通電使用，這些為銀遷移提供了必要的條件。

綜上分析，認為銀遷移發生的原因是：在潮濕環境中通電使用，經高溫、高濕環境的交替加速作用，水分子滲入含銀導體表面電解形成的銀離子，在電場作用下遷移并形成絮狀或枝蔓狀擴展，最終造成無電氣連接的導體之間旁路，導致絕緣電阻下降乃至短路。

3 改進措施及驗證情況

根據上述分析，為徹底消除銀離子遷移產生的根源，該繼電器產品設計由原來的鍍覆：基板、接線腳：Ep.Ag7，改為現在的鍍覆：基板：CHP，接線腳：Ep.CHP，由錫焊密封改為激光熔焊密封，使繼電器基座組合零件的基板和接線腳均無銀鍍層，改進前的絕緣電阻：正常條件絕緣電阻：≥100MΩ，測試電壓100VDC；高溫高濕環境下：≥5MΩ，測試電壓100VDC；改進后的絕緣電阻：正常條件絕緣電阻：≥2000MΩ，測試電壓500VDC；高溫高濕環境下：≥50MΩ，測試電壓500VDC，其余技術指標不變。為驗證措施有效性，隨機抽取了30只產品，正常條件下絕緣電阻測試均達到了105MΩ以上，在接線腳與基板之間，加上100Vd.c的極化電壓，進行了60天濕熱試驗，在交變濕熱狀態下箱內對產品的絕緣電阻每隔24h進行測試，其接線腳與外殼絕緣電阻均能達到104MΩ以上，均滿足技術標準規定。

根據驗證結果，將濕熱試驗規定完善到技術規范中，經過幾年的裝機使用，均無銀遷移導致的絕緣電阻不合格的反饋。

4 結束語

通過某繼電器絕緣電阻不合格問題原因分析、試驗復現，經過探索采用耐濕試驗發現銀遷移失效模式，為后續的產品設計改進和質量提升提供了參考。