氣體電離引發(fā)的可靠性問題研究

劉麗媛，李少平，蔡 偉

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所元器件可靠性研究分析中心，廣州 5106101）

0 引言

氣體具有電離導(dǎo)電的特性，可追溯到1928年朗謬爾定義的“等離子體”的概念［1］。自然界中的閃電、極光，生活中干燥天氣產(chǎn)生的靜電等現(xiàn)象都與氣體電離導(dǎo)電有關(guān)［2］。氣體電離也可能引發(fā)電力、電子裝備出現(xiàn)飛弧現(xiàn)象從而導(dǎo)致可靠性問題，如已有報(bào)道的繼電器或其他開關(guān)器件觸點(diǎn)間飛弧導(dǎo)致的失效［3］，芯片級電路不同電位金屬化間飛弧放電導(dǎo)致的失效［4］等。

飛弧現(xiàn)象引發(fā)的失效發(fā)生在工程應(yīng)用中，往往產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如器件或PCB大面積燒毀，電極碳化燒熔，密閉腔體內(nèi)起火等，它使裝備損毀，甚至引發(fā)火災(zāi)等惡性事故［5-6］。因此，在工程應(yīng)用中，飛弧現(xiàn)象的判斷和預(yù)防越來越受到人們的重視。

飛弧現(xiàn)象一般是指高低電壓兩電極之間產(chǎn)生的非正常直接放電現(xiàn)象。一般認(rèn)為，飛弧放電現(xiàn)象需要高電場使兩電極間氣體(通常為空氣)電離，形成導(dǎo)電回路，即空氣擊穿;但是干燥空氣的擊穿場強(qiáng)很大，勻強(qiáng)電場時(shí)擊穿場強(qiáng)是30 kV/cm［7］，正常情況下很難發(fā)生空氣擊穿。此外，氣體放電理論還不能對實(shí)際的空氣擊穿電壓進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算［8］。因而對應(yīng)用中出現(xiàn)的實(shí)際失效情況進(jìn)行分析總結(jié)，將對失效經(jīng)驗(yàn)的積累和其他工程應(yīng)用中飛弧現(xiàn)象的預(yù)防，有著不可替代的指導(dǎo)意義。

本研究將列舉具體的由于空氣電離導(dǎo)致的飛弧放電現(xiàn)象引發(fā)的典型失效案例，總結(jié)空氣電離所引發(fā)飛弧現(xiàn)象而使電子器件失效的現(xiàn)場特征、判斷依據(jù)和方法，分析引發(fā)氣體電離而產(chǎn)生飛弧放電的具體原因，并從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、使用等階段，結(jié)合具體使用環(huán)境，給出相應(yīng)的可靠性提高途徑和方法。

1 典型案例

1.1 勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部飛弧放電失效

大功率整流二極管(圖1a)是電廠發(fā)電機(jī)中勵(lì)磁機(jī)的整流器。勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)在空載調(diào)試時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，其中二極管和與其串聯(lián)的熔斷器大量失效:30個(gè)整流單元中有26個(gè)整流單元熔斷器異常，失效現(xiàn)象為熔斷器中保險(xiǎn)絲熔斷開路或存在較大的阻值，失效機(jī)理為過流燒毀;大功率整流二極管出現(xiàn)了11個(gè)短路失效，其余15個(gè)二極管電極之間可測到漏電，但沒有短路。分析發(fā)現(xiàn)二極管電極間存在飛弧放電現(xiàn)象，飛弧產(chǎn)生的殘留物存在于外部電極之間的絕緣子表面(圖1b、1c)。采用掃描電鏡對殘留物進(jìn)行X射線能譜進(jìn)行檢查，其成份主要為 Al、Cu、Sn、Fe等導(dǎo)電金屬(圖2)。推測含有導(dǎo)電金屬的殘留物導(dǎo)致了二極管的漏電。清洗后二極管漏電減弱或消失。由于二極管串聯(lián)的熔斷器表面金屬是Ag，而二極管頂端(負(fù)極)的散熱器為Al;因此，殘留物中不含Ag的結(jié)果可以說明，二極管的負(fù)極散熱器尖端與二極管底座(正極)間空氣介質(zhì)被擊穿產(chǎn)生了飛弧放電。且現(xiàn)場散熱器尖端有殘缺現(xiàn)象，進(jìn)一步證實(shí)這一判斷。對于短路的二極管，開封后發(fā)現(xiàn)硅本體出現(xiàn)空洞，但腔體內(nèi)未見燒毀，如圖1d所示。證明二極管擊穿是由瞬時(shí)高壓所致，而不是持續(xù)大電流。

圖1 失效二極管的照片F(xiàn)ig.1 Images of the failed diode

圖2 殘留物的X射線能譜檢查結(jié)果Fig.2 EDX results of the residues

基于以上分析，二極管存在漏電和短路2種失效模式，是由于飛弧放電產(chǎn)生瞬間大電流，使串聯(lián)的熔斷器失效。若熔斷器已經(jīng)斷開，則二極管所在電路斷路，而在表面附著了飛弧放電產(chǎn)生的殘留物，使二極管兩極間形成漏電通道;若熔斷器未完全斷開，存在于整流電路中的大量線圈電感則使飛弧放電產(chǎn)生的瞬間大電流轉(zhuǎn)化產(chǎn)生瞬間高壓，使部分二極管擊穿而短路。

但是，正常工作條件時(shí)的電場不足以使空氣介質(zhì)擊穿。對具體環(huán)境的檢查發(fā)現(xiàn)，勵(lì)磁機(jī)所在環(huán)境氣氛中存在水汽、塵埃、有機(jī)氣體等，在勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部氣氛中也有水汽、塵?；蛴袡C(jī)沾污的存在，這會(huì)使二極管有效絕緣距離減小，絕緣電壓降低，從而使勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部在正常的工作電壓下出現(xiàn)飛弧放電，導(dǎo)致上述失效發(fā)生。

在上述案例中，可以發(fā)現(xiàn)此類失效的發(fā)生需具備2個(gè)條件:1)設(shè)備內(nèi)部、器件表面氣氛中有水汽、塵埃、或有機(jī)玷污的存在，使二極管在正常工作電壓下能夠使表面氣體電離;2)氣體電離發(fā)生直流電源回路，提供了持續(xù)能量使放電發(fā)生，并產(chǎn)生大電流燒毀保險(xiǎn)絲。

1.2 接插件電極間的飛弧放電失效

某電子元件－接插件(圖3a)在裝配前進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)失效。DC 80V電源通過接插件A4引腳、A5引腳(接地)給產(chǎn)品供電。檢查后，確認(rèn)失效發(fā)生在接插件內(nèi)部，失效模式為短路。圖3a方框中為接插件外觀的異常形貌，圖3b中可以看到A4、A5引腳底部套管已經(jīng)碳化，并有金屬熔融物。這表明，A4、A5引腳底部曾經(jīng)受高溫。

圖3 失效接插件照片F(xiàn)ig.3 Images of the failed connector

圖3c是對樣品進(jìn)行環(huán)氧固封、研磨后的剖面形貌。圖中可見接插件接觸部位為銅柱，銅柱與絕緣材料的裝配結(jié)構(gòu)中有凸起結(jié)構(gòu)，銅柱與連接線之間采用錫鉛焊接。特別的是，A4、A5引腳在銅柱凸起結(jié)構(gòu)處已經(jīng)被電蝕，電蝕部位的Cu與Sn-Pb焊料形成合金，而且，銅柱電蝕消耗最多的部位是凸起結(jié)構(gòu)的中間位置，如圖3d中箭頭所示。由圖中觀察，銅柱發(fā)生電蝕，是電極之間飛弧放電引起的結(jié)果。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，引腳之間飛弧放電的誘發(fā)因素主要是引腳多余物。推測多余物來自引腳焊接的錫鉛顆粒。如果焊接時(shí)出現(xiàn)錫鉛顆粒掉落，此顆粒將減小銅柱之間的有效絕緣距離，從而降低銅柱之間的耐受絕緣電壓。在正常使用過程中，2個(gè)電極(DC 80V與地)間電壓超過了有效絕緣距離的耐受電壓，從而銅柱之間氣體產(chǎn)生電離，并有持續(xù)能量提供，由此引發(fā)飛弧放電，至金屬熔融遷移，最終引起銅柱之間短路。

1.3 密閉腔體內(nèi)的飛弧放電失效

圖4為配電控制器嚴(yán)重?zé)龤Ш蟮膶?shí)物圖?？刂破鬏斎攵说?00A/AC110V三相交流接觸器使用半年后燒毀失效，燒毀的部分如圖4所示。配電控制器是金屬外殼，觸點(diǎn)在金屬密閉腔體里面。圖5a是100A/AC 110V三相交流接觸器外形示意圖。圖5b中可以看到，連接AC110V電源的銅板(導(dǎo)線)3/4的長度(包括其連接的觸點(diǎn)部分)已經(jīng)完全被燒蝕，僅剩下不到1/4，余下端頭呈現(xiàn)熔融形貌;圖5c顯示的是接觸器內(nèi)部出現(xiàn)的熔坑;此外，接觸器的接觸外殼亦出現(xiàn)熱熔洞，如圖5d所示。這些都表明在接觸器失效過程中存在劇烈發(fā)熱的過程。

圖4 配電控制器內(nèi)部連接實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 Image of the electrical controller

使用時(shí)接觸器金屬外殼和配電控制器的金屬外殼連接到AC 110V的零線上，因此接觸器工作過程中外殼不可能由于電流產(chǎn)生熱量而熔融，外殼熔洞是飛弧放電而產(chǎn)生的局部高溫所致。AC 110V輸入的銅板導(dǎo)線燒蝕，僅剩下1/4的長度，是電極之間飛弧放電，導(dǎo)致金屬電極逐步熔融消蝕的結(jié)果。

追查配電控制器的裝配歷史，發(fā)現(xiàn)接觸器在裝配銅板導(dǎo)線的時(shí)候，曾經(jīng)發(fā)生過損壞接觸器密封的情況:裝配時(shí)對螺母施力過大而引起金屬與陶瓷之間松脫(圖6中箭頭所示)，從而導(dǎo)致了外部潮濕空氣進(jìn)入接觸器內(nèi)部腔體，降低了接觸器觸點(diǎn)之間氣體的絕緣能力，導(dǎo)致觸點(diǎn)脫離時(shí)誘發(fā)了氣體電離，繼而在AC 110V電源的持續(xù)供電下發(fā)生飛弧現(xiàn)象，產(chǎn)生局部高溫，使外殼熔融，進(jìn)而導(dǎo)致元件失效。

圖5 100A/AC 110V三相交流接觸器Fig.5 Images of 100A/AC 110V three-phase contactor

圖6 接觸器密封連接脫離Fig.6 Detachment of the sealing connection in contactor

1.4 小結(jié)

結(jié)合以上分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)案例中電子元器件出現(xiàn)的局部損壞，明顯不同于過電流而過熱所引起的熔融，具有大范圍碳化、局部點(diǎn)高溫熔融形態(tài)及金屬高溫?zé)g形態(tài)等特征。

產(chǎn)生氣體電離的主要原因有:1)使電極間的電場分布改變，如電極間的異物，介質(zhì)材料及其表面的影響;2)使電極間氣體的絕緣能力下降，如潮濕空氣、塵埃、有機(jī)氣體及其他物質(zhì)在空間的存在和附著。在正常工作電壓下，這2個(gè)方面的因素導(dǎo)致電極間有效擊穿電壓下降［9］，氣體電離而失去絕緣能力，最終導(dǎo)致飛弧放電現(xiàn)象，使元器件局部損壞并由此引起失效。

2 提高可靠性的途徑

針對上述空氣電離導(dǎo)致飛弧放電現(xiàn)象引發(fā)的失效問題，存在多種提高可靠性途徑。首先要確定某失效現(xiàn)象具有飛弧放電失效特征，可根據(jù)引起氣體電離而飛弧放電的原因和特點(diǎn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、使用的不同階段采取措施，減小產(chǎn)生飛弧放電的可能:

1)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，必須高度重視系統(tǒng)、裝備、電子產(chǎn)品的電極之間的相關(guān)設(shè)計(jì)問題，如電極之間的安全距離，電極結(jié)構(gòu)中尖端會(huì)引起放電問題，電極之間介質(zhì)表面的爬電問題，電極之間異常電壓的釋放問題，以及電極采取保護(hù)材料防護(hù)問題。設(shè)計(jì)中既要考慮電源電極之間短路后的切斷措施，如自動(dòng)開關(guān)、熔斷保險(xiǎn)絲，又要考慮到電子電路自身的檢測控制等。

2)在產(chǎn)品制造階段，制造工藝中保證設(shè)計(jì)的有效實(shí)施，檢查用于大電壓電極的形狀，確保電極不存在尖端放電的潛在缺陷;控制工藝中不引入引起電極之間承受電壓能力下降的潛在因素，如電極之間PCB表面或電極之間其他介質(zhì)表面的離子污染、多余物殘留等;控制介質(zhì)加工工藝引入的機(jī)械損傷，控制裝配工藝引起的介電距離減小等。

3)在產(chǎn)品使用階段，需特別注意環(huán)境水汽、有害氣體以及塵埃顆粒的監(jiān)控，因?yàn)檫@些是系統(tǒng)、裝備、電子元器件電極之間飛弧放電的直接誘因。對應(yīng)用于極端環(huán)境的系統(tǒng)、裝備、電子元器件，應(yīng)在設(shè)計(jì)中就加強(qiáng)高電壓電極之間的防護(hù);并對環(huán)境的控制給出必要的指導(dǎo)，如塵埃過濾措施，潮濕控制措施，有害氣體侵入防護(hù)等，盡量消除氣體電離引起飛弧現(xiàn)象的潛在危險(xiǎn)，提高系統(tǒng)、裝備及電子元器件的可靠性。

3 結(jié)論

1)查找分析失效原因是提高電子產(chǎn)品使用可靠性的關(guān)鍵，應(yīng)從其設(shè)計(jì)、工藝及使用等方面綜合考慮。

2)由空氣電離導(dǎo)致飛弧放電失效案例的典型現(xiàn)象有金屬熔融、消蝕，產(chǎn)生此類失效的原因是潮濕空氣，有機(jī)物附著等引起的電極間電場分布改變。

3)提高電子產(chǎn)品可靠性途徑有:加強(qiáng)電極短路后的檢測與控制，避免離子污染制造過程中多余物殘留;使用中嚴(yán)格監(jiān)控環(huán)境中濕度、塵埃及其他有害氣體。

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