一種晶體罩電磁繼電器失效機(jī)理探討

王龍輝，惠小玲，馬瑞敏，任 浩，常 寧

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，電子產(chǎn)品在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。電磁繼電器作為電子信息技術(shù)的基礎(chǔ)元器件之一，使用數(shù)量勢必越來越大，可靠性要求也越來越高。眾所周知，電磁繼電器的可靠性隱患形成于產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝以及電接觸等必然物理過程之中；提高其可靠性最基礎(chǔ)的工作在于不斷認(rèn)識各類失效問題的具體形式及內(nèi)在機(jī)理，從而不斷改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝，實施可靠的篩選措施等等。

2 早期失效與隨機(jī)失效

在正常使用條件下，該產(chǎn)品早期失效與隨機(jī)失效主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

2.1 鐵屑卡死驅(qū)動機(jī)構(gòu)

由于鐵心、銜鐵激勵時均有磁性，不激勵時亦有剩磁存在，因此殘存于機(jī)構(gòu)之中的鐵屑就有機(jī)會被吸入鐵心與銜鐵之間，并附著在鐵心極靴或鐵心之上。有的針狀小鐵屑在激勵過程中被極化(磁化)，從而直立于鐵心與銜鐵之間，造成繼電器處于完全不工作或間歇工作狀態(tài)。

而鐵屑的主要產(chǎn)生原因，是由點焊工藝殘渣與飛濺微粒；鉚裝時產(chǎn)生的鐵屑；裝配調(diào)整過程中磁性零件的毛刺或損落物等。

鑒于鐵屑偏小，極化(磁化)后附著能力強(qiáng)，故不容易清除。試驗表明，吸塵器或強(qiáng)負(fù)壓裝置產(chǎn)生的負(fù)壓氣流對鐵屑、細(xì)小纖維或其他粉塵污物的清除效果良好，且對繼電器本身結(jié)構(gòu)和性能不致產(chǎn)生不利影響。

2.2 清洗過程污染失效

電磁繼電器機(jī)構(gòu)整體清洗后從清洗溶劑中取出時，簧片上粘附的清洗溶劑在表面張力作用下富集于觸點部位。當(dāng)清洗溶劑揮發(fā)后，其中少量殘留污物(原清洗溶劑中帶來的或在空氣中吸附的塵埃)正好干涸附著在觸點周圍。在觸點工作過程中，這種附粘污物在負(fù)載作用下部分燒蝕，或形成電阻值相當(dāng)高的覆蓋層，以致造成接觸不良或完全絕緣。

這種失效主要取決于清洗液的潔凈與操作環(huán)境的清潔。在改善操作環(huán)境的同時，應(yīng)采取的措施是：

1)將銜鐵轉(zhuǎn)換至貼靠鐵心部位，進(jìn)而漂洗靜合觸點并將繼電器提出清洗液，待被吹干后再讓銜鐵復(fù)位，以便減少清洗液對接觸點的富集效應(yīng)。

2)將接觸系統(tǒng)與電磁系統(tǒng)分別增加一次單獨刷洗，以減輕釬焊時形成的硅鹽微粒，醋酸與銀鋅焊料的黑色反應(yīng)物及電磁系統(tǒng)上面的污物對機(jī)構(gòu)整體清洗液的污染。3)將機(jī)構(gòu)整體清洗工藝改為兩次刷洗后再用潔凈清洗液漂洗一次。

2.3 有機(jī)污染失效

該繼電器的線圈由塑料骨架、漆包線及聚四氟乙烯薄膜包扎帶組合而成。在密封罩內(nèi)的“小氣候”條件下，線圈在通電自熱過程中自然形成了釋放有機(jī)揮發(fā)物污染源，觸點等零部件表面都成了有機(jī)污染的對象，出現(xiàn)觸點接觸不良或斷路失效現(xiàn)象。

在繼電器密封之前，應(yīng)采用無水乙醇浸漬線圈2小時，吹干后再100℃下真空焙烘4小時的予排有機(jī)揮發(fā)物工藝效果更好。

2.4 物理粘結(jié)失效

繼電器的動合觸點曾出現(xiàn)嚴(yán)重粘結(jié)不釋放現(xiàn)象，用測力計測粘結(jié)觸點的力，最大者竟達(dá)到35g。這種動合粘結(jié)多為時隱時現(xiàn)，因此它也成為產(chǎn)品在正常使用條件下失效的一種隱患。

根據(jù)試驗分析表明，觸點表面鍍金，其接觸部位金分子互相擠壓滲透所形成的分子力是導(dǎo)致觸點粘結(jié)的內(nèi)在因素，觸點之間的滑動摩擦是加速分子擠壓滲透積聚粘結(jié)力的必要條件。粘結(jié)力的大小取決于觸點材料的剛性與導(dǎo)致分子擠壓滲透的物理條件，動合觸點是否粘結(jié)不放，主要取決于粘結(jié)力是否大于動簧片的復(fù)原反力。

為了既確保觸點粘結(jié)力小于動簧片的復(fù)原反力，又保留金分子所固有的穩(wěn)定性能對觸點的保護(hù)作用，采用嚴(yán)格控制鍍金層厚度以減小粘結(jié)力的方法，較為成功地控制了觸點粘結(jié)失效的危害。

由于0.1A×6.3Vac負(fù)載的弱弧特性，對觸點污染嚴(yán)重者擊而不穿，對污染輕微者燒而不毀，可較充分地暴露工藝污染產(chǎn)品及粘結(jié)不放產(chǎn)品。因此，在改善工藝環(huán)境，針對上列事項采取相應(yīng)措施的同時，于半成品機(jī)械老練過程中采用0.1A×6.3Vac負(fù)載來監(jiān)控裝配工序質(zhì)量及時區(qū)分剔除動合、靜合污染失效及粘結(jié)產(chǎn)品；在成品出廠檢驗前先用同上負(fù)載篩選剔除早期失效及接觸電阻不穩(wěn)定產(chǎn)品，可達(dá)到監(jiān)控指導(dǎo)工藝全過程，大大降低出廠產(chǎn)品早期失效率與隨機(jī)失效率的目的。

3 老化失效

繼電器在長期工作過程中的自然老化過程，其主要表現(xiàn)為活動部件機(jī)械損傷、零件腐蝕、材料老化、彈性失效與電接觸點老化失效。在通常情況下，電觸點本身失效比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它形式的失效比例，電觸點的壽命極限也遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于其它各零部件的壽命極限。認(rèn)真分析電接觸過程的物理機(jī)制，采取相應(yīng)措施是提高產(chǎn)品壽命和可靠性，降低失效率的關(guān)鍵。

3.1 小負(fù)荷老化失效

小負(fù)載老化失效主要表現(xiàn)為異層電阻開路與動合觸點物理粘結(jié)。在該負(fù)載條件下，觸點反復(fù)開斷時的空間靜電效應(yīng)易于富集內(nèi)部懸浮污物，對生產(chǎn)工藝污染膜、小氣象有機(jī)污染膜等擊而不穿，燒而不毀，從而形成隨機(jī)性異層電阻絕緣開路。

3.2 金屬轉(zhuǎn)移失效

在2A×28Vd.c.負(fù)載條件下，繼電器老化失效機(jī)制主要表現(xiàn)為金屬轉(zhuǎn)移-負(fù)極失去金屬分子而凹陷，以致穿洞，正極得到金屬分子而形成尖峰或鍋底型突起。

經(jīng)過反復(fù)試驗表明，觸點間隙對金屬轉(zhuǎn)移的具有一定影響：

1)當(dāng)觸點間隙<0.15mm時，動合觸點間金屬轉(zhuǎn)移較快，正極形成尖峰型突起，較快填補(bǔ)觸點間隙。其失效方式是，開始時轉(zhuǎn)換觸點出現(xiàn)斷續(xù)連通故障，最后因熔接而永久性連通失效，壽命<105次。

2)當(dāng)觸點間隙約為0.17-0.23mm時，正極觸點一般呈鍋底型突起，負(fù)極呈凹鍋型下陷。金屬轉(zhuǎn)移相對較慢。大約3×105次壽命后，正極突起高度約為0.15-0.20mm，負(fù)極形成穿洞現(xiàn)象。此后，正極不再抬高，金屬轉(zhuǎn)移在側(cè)向進(jìn)行。觸點壽命隨著失效率的急劇上升而很快終結(jié)。

3)當(dāng)觸點間隙>0.27mm時，靜合觸點組金屬轉(zhuǎn)移加速，并伴隨著大面積互熔性燒傷，靜合開路失效比例明顯增大。對非密封觸點，情況更為惡劣，觸點組為燃弧形成的碳膜所覆蓋，靜合組觸點會出現(xiàn)熔焊現(xiàn)象。一般來說，金屬轉(zhuǎn)移對電觸點的影響是：

①迅速減少觸點開斷間隙，導(dǎo)致斷弧能力下降，加速觸點的壽命老化。

②尖峰形突起改變觸點的接觸狀態(tài)，變原來的球面對平面接觸狀態(tài)為尖峰對深凹鍋或凸起側(cè)緣對穿洞內(nèi)壁接觸狀態(tài)。接觸過程伴隨著活動的尖端放電過程。接觸電阻隨燃弧污染針尖接觸而隨機(jī)增大，導(dǎo)致隨機(jī)開路失效。

③當(dāng)動簧片接負(fù)極，雙面凹鍋使接點部位橫斷面尺寸減小到一定尺度時，動簧片將出現(xiàn)局部形變，導(dǎo)致永久失效。

初步分析認(rèn)為，在2A×48Vd.c.負(fù)載條件下，形成金屬轉(zhuǎn)移的物理機(jī)制是：由于接觸點局部電流升溫與燃弧溫升的共同作用，觸點接合局部產(chǎn)生熔融。在燃弧的瞬間，電離的氣體離子猛烈的轟擊負(fù)極熔融部位，驅(qū)使負(fù)極表面積聚負(fù)電荷且處于熔融狀態(tài)的分子集團(tuán)在定向電場中克服表面張力作用而濺向同時處于熔融狀態(tài)的正極部位，從而形成“鍋形負(fù)極剝離，峰形正極堆積”，這一直流定向濺射物理過程。對直流功率負(fù)載，金屬轉(zhuǎn)移是電接觸的一種客觀物理過程。在不更改原設(shè)計觸點材料的前提下，作為生產(chǎn)單位，控制金屬轉(zhuǎn)移的危害相對辦法是，嚴(yán)格控制觸點的開斷間隙，保證必要的動合接觸的超行程。

3.3 電腐蝕與電磨損

在交流負(fù)載條件下，繼電器的老化失效主要表現(xiàn)為電腐蝕和電磨損效應(yīng)。在0.5A×220Va.c.負(fù)載，105次壽命試驗后，其表現(xiàn)是：電接觸點雙方呈對稱性光潔淺凹鍋型磨損。對全密封觸點，觸點本身十分潔凈，接觸電阻很小，電接點四周零部件上粘附著放射狀黑色濺射物及濺落的觸點材料微粒。對非密封電觸點，觸點本身及四周均覆蓋著燃弧過程中形成的碳黑濺射物，絕緣子及推桿玻璃球上均有清晰可見的觸點材料濺落微粒，接觸電阻明顯偏大。

電腐蝕與電磨損導(dǎo)致的繼電器失效方式詳述如下：

1)觸點材料濺落微粒使鄰近的絕緣子耐壓降低，以致抗電失效。

2)電接觸點損傷，熔接失效。

3)燃弧殘物導(dǎo)致開路失效。

對密封電觸點，方式(1)是失效的主因；對非密封或密封不好的產(chǎn)品，方式(3)是失效的主因；方式(2)往往與超負(fù)荷有關(guān)。

交流負(fù)載與直流負(fù)載的差別在于觸點間燃弧極性與電場方向交變，觸點雙方處于正或負(fù)的概率相等，燃弧所導(dǎo)致的觸點表面金屬濺射使雙方都成為剝離對象，周圍零部件則成為濺射的污染對象。電磨損與金屬轉(zhuǎn)移的物理本質(zhì)是同一的。

電腐蝕和電磨損是交流負(fù)載條件下的自然物理過程，設(shè)計上采用密封電觸點，增大觸點的可斷間隙，增大絕緣部件或增大絕緣部件與觸點間的相對距離，對提高交流負(fù)載能力，降低失效率是有益的。

4 總結(jié)

對已定型的產(chǎn)品而言，早期失效與隨機(jī)失效主要源于生產(chǎn)工藝。因此，加強(qiáng)生產(chǎn)工藝研究，提高生產(chǎn)工人的文化素質(zhì)，加強(qiáng)質(zhì)量意識及責(zé)任心，不斷改進(jìn)并強(qiáng)化質(zhì)量管理，對降低早期失效率與隨機(jī)失效率是行之有效的。同時針對繼電器的不同負(fù)載，積極開展提高產(chǎn)品可靠性研究活動，延長產(chǎn)品的壽命極限，滿足用戶需求。