繼電器銀遷移失效模式分析探討

黃華才，韓征權(quán)

(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(fù)責(zé)信號傳遞、系統(tǒng)配電、電路轉(zhuǎn)換控制，廣泛應(yīng)用在航空、航天、船舶等領(lǐng)域。產(chǎn)品的質(zhì)量可靠與否，直接決定武器系統(tǒng)的成敗。

近年來，繼電器使用環(huán)境越來越苛刻。不同的環(huán)境使用，對繼電器的性能影響存在差異，海洋環(huán)境對產(chǎn)品的影響比較大。長期暴露在惡劣環(huán)境下，產(chǎn)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(gòu)腐蝕、表層損壞、絕緣材料性能降低等，從而導(dǎo)致電特性失效，失去作用。故產(chǎn)品出廠前需經(jīng)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(jìn)措施。

2 絕緣電阻不合格原因分析

2.1 不合格現(xiàn)象

公司某繼電器產(chǎn)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(huán)境下：≥5MΩ，測試電壓100VDC。在裝機通電使用中發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象，該絕緣電阻不符合使用要求。將該產(chǎn)品拆卸用肉眼仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)繼電器接線腳的玻璃絕緣子邊緣有散狀多余物存在，進(jìn)一步借助掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)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(yè)、通訊配置和儀器儀表制造業(yè)中，鍍銀具有很高的導(dǎo)電性、焊接性能和對有機酸和堿的化學(xué)穩(wěn)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(chǎn)品，進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)白色多余物，然后進(jìn)行電性能測試，產(chǎn)品合格。為進(jìn)一步查找原因，查閱繼電器相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，按該產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范要求(接線腳和基板間未規(guī)定加極化電壓)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)濕熱96h試驗、高溫、低溫儲存、溫沖、溫循試驗，經(jīng)過30天的相關(guān)試驗，繼電器玻璃絕緣子表面未出現(xiàn)散狀的白色多余物附著，經(jīng)檢測，各項性能指標(biāo)均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，故障原因未復(fù)現(xiàn)。

根據(jù)多年的試驗經(jīng)驗分析，并結(jié)合白色多余物檢測，發(fā)現(xiàn)白色多余物含有銀離子，這與零件鍍層有關(guān)，同時發(fā)現(xiàn)該繼電器長時間在通電的海洋環(huán)境下使用，故需進(jìn)行新的試驗。

2.3 不合格復(fù)現(xiàn)試驗

根據(jù)上述分析，除了按照繼電器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的穩(wěn)態(tài)濕熱試驗外，還需按GJB360B-2009方法106規(guī)定進(jìn)行了交變耐濕試驗，循環(huán)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(huán)圖按照圖1所示。

圖1 濕熱試驗循環(huán)圖

方法為：

步驟1 試驗箱內(nèi)的溫度應(yīng)在2.5h內(nèi)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(yīng)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(yīng)在2.5h內(nèi)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(yīng)在2.5h內(nèi)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(xù)至第24h循環(huán)結(jié)束。

在交變耐濕試驗期間，每隔24h箱內(nèi)進(jìn)行一次絕緣電阻測試并記錄，試驗進(jìn)行到第5天時，既第5次循環(huán)時，發(fā)現(xiàn)絕緣電阻急速下降，甚至短路。不合格故障復(fù)現(xiàn)。

此時，樣品從試驗箱內(nèi)取出，先用肉眼檢查外觀，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)其內(nèi)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(tài)圖

2.4 白色物質(zhì)檢測

為進(jìn)一步確認(rèn)白色物質(zhì)的成分，使用能譜儀對白色物質(zhì)進(jìn)行檢查分析，如圖3 和表1所示，發(fā)現(xiàn)白色物質(zhì)中銀元素含量較高，達(dá)到87.87%，因此可以確定該白色物質(zhì)為銀，來源于零件鍍層。

圖3 白色多余物狀態(tài)圖

表1 白色物質(zhì)成分

發(fā)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(huán)境存在的水而發(fā)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(yīng)，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(chǎn)品的基板、接線腳采用銀鍍層，同時又在海洋環(huán)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(rèn)為銀遷移發(fā)生的原因是：在潮濕環(huán)境中通電使用，經(jīng)高溫、高濕環(huán)境的交替加速作用，水分子滲入含銀導(dǎo)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(kuò)展，最終造成無電氣連接的導(dǎo)體之間旁路，導(dǎo)致絕緣電阻下降乃至短路。

3 改進(jìn)措施及驗證情況

根據(jù)上述分析，為徹底消除銀離子遷移產(chǎn)生的根源，該繼電器產(chǎn)品設(shè)計由原來的鍍覆：基板、接線腳：Ep.Ag7，改為現(xiàn)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(jìn)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(huán)境下：≥5MΩ，測試電壓100VDC；改進(jìn)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(huán)境下：≥50MΩ，測試電壓500VDC，其余技術(shù)指標(biāo)不變。為驗證措施有效性，隨機抽取了30只產(chǎn)品，正常條件下絕緣電阻測試均達(dá)到了105MΩ以上，在接線腳與基板之間，加上100Vd.c的極化電壓，進(jìn)行了60天濕熱試驗，在交變濕熱狀態(tài)下箱內(nèi)對產(chǎn)品的絕緣電阻每隔24h進(jìn)行測試，其接線腳與外殼絕緣電阻均能達(dá)到104MΩ以上，均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

根據(jù)驗證結(jié)果，將濕熱試驗規(guī)定完善到技術(shù)規(guī)范中，經(jīng)過幾年的裝機使用，均無銀遷移導(dǎo)致的絕緣電阻不合格的反饋。

4 結(jié)束語

通過某繼電器絕緣電阻不合格問題原因分析、試驗復(fù)現(xiàn)，經(jīng)過探索采用耐濕試驗發(fā)現(xiàn)銀遷移失效模式，為后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計改進(jìn)和質(zhì)量提升提供了參考。