電磁繼電器絕緣下降的失效分析與控制

王智彬，孟 猛

(中國空間技術(shù)研究院電子元器件可靠性中心，北京，100094)

電磁繼電器絕緣下降的失效分析與控制

王智彬，孟 猛

(中國空間技術(shù)研究院電子元器件可靠性中心，北京，100094)

文章通過對某電磁繼電器不同引腳以及引腳與管殼之間絕緣下降進(jìn)行失效分析，采用顯微鏡外部目檢、掃描電鏡檢查和能譜分析等分析方法與手段，揭示了銀離子遷移是導(dǎo)致該繼電器絕緣下降的失效原因。闡述了銀離子遷移的發(fā)生機(jī)理，從生產(chǎn)和使用兩個方面提出了避免銀離子遷移在繼電器中發(fā)生的控制措施。

電磁繼電器;絕緣下降;銀離子遷移;失效分析

1 引言

電磁繼電器作為電信號傳輸切換的重要機(jī)電元件，在航天設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用［1，2］。由于繼電器一般作為電路的樞紐，其工作可靠性對整個系統(tǒng)乃至型號設(shè)備的成功有著重要意義。作為繼電器的一種常見失效模式，絕緣下降的形成原因各異。本文對某電磁繼電器絕緣下降故障進(jìn)行失效分析，揭示了其失效原因，并從生產(chǎn)和使用兩方面提出了相關(guān)注意事項(xiàng)，以避免同類失效的發(fā)生。

2 失效案例分析

某型號地面設(shè)備開機(jī)檢查狀態(tài)時發(fā)現(xiàn)異常，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)板上某繼電器部分引腳之間以及引腳與外殼之間絕緣阻抗降低，正常應(yīng)大于500MΩ。

使用萬用表測試送檢繼電器不同引腳之間以及引腳與外殼之間的阻抗，結(jié)果顯示多個引腳之間以及引腳與外殼之間的阻抗低于指標(biāo)要求的500MΩ，測得的實(shí)際阻抗數(shù)值從百兆歐姆級到百歐姆級不等。

使用體視顯微鏡對送檢繼電器進(jìn)行外觀檢查，如圖1所示。繼電器引線套有透明熱縮套管，表面涂有三防漆。

圖1 送檢繼電器底板外觀形貌

檢查未發(fā)現(xiàn)繼電器存在凹坑、變形等異常，檢查熱縮套管未發(fā)現(xiàn)熱縮套管破損等異常。將繼電器引腳剪短，檢查繼電器的玻璃絕緣子，發(fā)現(xiàn)多個引腳根部玻璃絕緣子表面存在附著物，如圖2所示。

圖2 玻璃絕緣子表面附著物

在掃描電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)該附著物呈絮狀微觀形貌，并連接引腳與繼電器底板，如圖3所示。

能譜分析顯示，絮狀附著物區(qū)域含有Ag、Si，且繼電器的底板與引腳均鍍銀，如圖4所示。分析認(rèn)為，該絮狀物的成分為銀，能譜分析結(jié)果中的Si來自于玻璃絕緣子。

圖4 引腳玻璃絕緣子上附著物成分分析

采用無水乙醇清洗的方法將玻璃絕緣子表面的銀絮狀物去除，測試失效引腳之間以及失效引腳與外殼之間的絕緣性能，滿足指標(biāo)要求，故障消失。

至此，造成該繼電器多個引腳以及引腳與外殼之間絕緣下降的原因已被找到－－銀絮狀物跨接引腳與底板，而造成這一現(xiàn)象發(fā)生的原因就是銀離子遷移。由于繼電器外殼鍍銀是常用工藝，因而近年來由于銀離子遷移導(dǎo)致繼電器絕緣下降的失效案例時有發(fā)生。除繼電器外，近年來在光敏晶體管等其他元器件中也出現(xiàn)了由于銀離子遷移而導(dǎo)致失效的案例［3］。因此，有必要分析銀離子遷移的發(fā)生機(jī)理，進(jìn)而給出避免其發(fā)生的相關(guān)注意事項(xiàng)。

3 機(jī)理分析

為了更好的預(yù)防銀離子遷移導(dǎo)致元器件失效的發(fā)生，需要對銀離子遷移發(fā)生的機(jī)理有所了解。金屬離子遷移是一種因電化學(xué)作用而發(fā)生的電極金屬離子化并溶出運(yùn)動的反應(yīng)，僅發(fā)生于少數(shù)金屬，如銀、鉛、銅、錫、金。其中，銀的遷移率最高［4］，在一個相對較短的時間內(nèi)銀離子遷移生成的銀枝晶長度就能夠?qū)е码娮釉骷慕^緣部位搭接失效，而銀又廣泛用于各類元器件的鍍層及粘結(jié)料中，因此由于銀離子遷移而導(dǎo)致的絕緣失效問題頻見于各類元器件中。

具體剖析銀離子遷移的過程，主要包括陽極溶解、離子運(yùn)動和陰極沉積三個步驟［5］，如圖5所示。

圖5 銀離子遷移過程示意圖

1)陽極溶解:在陽極上發(fā)生的反應(yīng)主要是銀的陽極溶解，反應(yīng)式為:

(2)離子運(yùn)動:在電場力的驅(qū)動下，陽極溶解產(chǎn)生的Ag+向陰極運(yùn)動，在運(yùn)動過程中部分與水離解產(chǎn)生的OH－復(fù)合反應(yīng)生成性質(zhì)不穩(wěn)定的AgOH，隨后分解為黑色沉淀物Ag2O，反應(yīng)式為:

(3)陰極沉積:陽極溶解生成的Ag+在電場力和濃度梯度的共同作用下向陰極遷移，到達(dá)陰極后發(fā)生電化學(xué)還原沉積反應(yīng)生成金屬銀，反應(yīng)式為:

隨著銀離子在陰極電化學(xué)還原沉積反應(yīng)的進(jìn)行，銀枝晶從陰極向陽極逐漸遷移生長，直至最終搭接陰陽兩極，形成短路。如前所述，銀具有很高的遷移率，這是因?yàn)樗荒苄纬煞€(wěn)定和鈍化的氧化膜。銀和銀離子發(fā)生氧化還原作用的自由能低，這促使其陽極溶解和陰極還原反應(yīng)的發(fā)生，從而導(dǎo)致很高程度的遷移率［4］。

至此，結(jié)合銀離子遷移發(fā)生的機(jī)理，我們得出發(fā)生銀離子遷移的必要條件是水和電場的存在，而一些沾污元素則可能通過加劇銀離子的水解產(chǎn)生而對銀離子遷移起到加速作用。具體到鍍銀外殼電磁繼電器而言，其電鍍前由于清洗不干凈容易在引腳根部殘留部分腐蝕性介質(zhì)，而其在電裝等后續(xù)使用過程中也可能會沾附含有S、Cl等腐蝕性元素的介質(zhì)(例如助焊劑等)。當(dāng)在濕度較大的環(huán)境中使用繼電器時其外殼吸附潮氣，為銀離子遷移的發(fā)生提供了必需的水環(huán)境，而腐蝕性介質(zhì)的存在能夠幫助銀鍍層更快的離解出更多的銀離子;當(dāng)繼電器加電工作時，引腳與殼體之間由于存在電位差而形成電場，在電場力的作用下銀離子逐步產(chǎn)生遷移，并沉積形成銀枝晶。當(dāng)銀枝晶通過絕緣子跨接引腳與殼體之間時，則引起絕緣電阻下降［1］。

4 建議

結(jié)合上述鍍銀外殼繼電器銀離子遷移導(dǎo)致絕緣下降的失效案例以及銀離子遷移的發(fā)生機(jī)理分析，我們從生產(chǎn)和使用方面對繼電器銀離子遷移現(xiàn)象提出一些預(yù)防和控制手段:

1)在繼電器的生產(chǎn)制造過程中，在進(jìn)行銀電鍍工藝前，應(yīng)充分清洗，確保干凈，避免殘留腐蝕性介質(zhì)。

2)在要求高可靠性的應(yīng)用中，盡量不要選用鍍銀外殼繼電器，如必須選用該類型繼電器，應(yīng)避免在濕度較大的環(huán)境中使用，并且在使用過程中注意保持清潔，避免器件受到污染。

［1］ 孫靜，胡會能，王全，胡斌.航天用電磁繼電器的常見失效模式及機(jī)理分析，全國第三屆航空航天失效分析會議論文集，2000年10月，中國昆明.

［2］ 鄧杰，韋遠(yuǎn)健，葉雪榮，梁慧敏，翟國富.以批生產(chǎn)一致性為目標(biāo)的航天繼電器關(guān)鍵部件的確定及優(yōu)化，《機(jī)電元件》，2011，3:27.

［3］ 薄鵬，張偉，孟猛.光敏晶體管漏電流變大的失效分析與控制，《電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)》，2013，31(4): 11.

［4］ 嵇永康，胡培榮，衛(wèi)中領(lǐng).銀鍍層中銀離子的遷移現(xiàn)象(一)，《電鍍與涂飾》，2008，27(8):18

［5］ 朱曉云，劉元龍，龍晉明.銀包銅粉抗銀遷移的研究，中國電子學(xué)會敏感技術(shù)分會電壓敏學(xué)部第十七屆學(xué)術(shù)年會論文專刊，2010年10月，中國蘇州.

The Analysis and Control on the Insulation Failure of Electromagnetic Relay

WANG Zhi－bin，MENG Meng
(Electronic Components Reliability Centre，China Academy of Space Technology，Beijing，100094)

The failure analysis is done on the case of electromagnetic relay insulation failure located on pin to pin and pin to encapsulation.By the external visual check using microscope、electronic scanning microscope check and energy spectrum analysis，the cause of insulation failure is confirmed to be silver ions migration.The mechanism of silver ions migration is clarified，and the control measures of avoiding the silver ions migration in the relays are proposed from the aspects of production and application.

electromagnetic relay，insulation failure，silver ions migration，failure analysis

10.3969/j.issn.1000－6133.2015.03.011

TN784

A

1000－6133(2015)03－0042－03

2015－05－13

綜述與簡介