塑料結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量對(duì)繼電器可靠性的影響

伍景希，蘇健梅，張強(qiáng)，左新浪，彭博

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州 510610；2.陽(yáng)江核電有限公司，廣東陽(yáng)江 529500)

0 引言

繼電器[1]在控制電路中有著獨(dú)特的電氣、物理特性，其通態(tài)的低導(dǎo)通電阻和斷態(tài)的高絕緣電阻特性，使得其他任何電子元器件都無(wú)法與之相比，加上繼電器還具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、通用性好和可簡(jiǎn)化電路等優(yōu)點(diǎn)，所以其被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、軍用電子裝備、信息通訊和實(shí)體經(jīng)濟(jì)的各種電子設(shè)備中。隨著科技的飛速發(fā)展，繼電器的應(yīng)用變得更加廣泛，所以如何保證繼電器的可靠性，滿足整機(jī)系統(tǒng)的可靠性，成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。例如：1971年日本發(fā)射的第一號(hào)科學(xué)衛(wèi)星，共用了1 400個(gè)電子元器件，其中繼電器僅占0.9%，但其失效數(shù)卻占電子元器件總失效數(shù)的4.7%[2]。

而塑料結(jié)構(gòu)件作為繼電器的基本組成部分，起著支撐繼電器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和絕緣的作用，其質(zhì)量的好壞直接影響著整個(gè)繼電器系統(tǒng)的可靠性，通過(guò)失效分析確定由塑料結(jié)構(gòu)件質(zhì)量不良引起繼電器失效的原因并采取相應(yīng)的改善措施，是提高產(chǎn)品可靠性的重要途徑。本文以繼電器作為研究對(duì)象，分析塑料結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量問(wèn)題對(duì)繼電器可靠性的影響，最終獲得了導(dǎo)致失效的根本原因。

1 試驗(yàn)

本文以某失效的繼電器為研究對(duì)象，其塑料結(jié)構(gòu)件的析出物質(zhì)吸附在繼電器的觸點(diǎn)表面，導(dǎo)致繼電器的觸點(diǎn)接觸電阻增大，甚至開(kāi)路。

遵循著 “從無(wú)損到破壞”的原則，進(jìn)行了以下試驗(yàn)。

a）使用體視顯微鏡 (SMZ-100)對(duì)塑料結(jié)構(gòu)件表面進(jìn)行觀察，分析失效樣品的表面形貌。

b）使用掃描電子顯微鏡和能譜儀(SEM&EDS，SUPRA 55VP&APOLLO X)，對(duì)塑料結(jié)構(gòu)件的表面進(jìn)行微觀形貌分析，并依據(jù)GB/T 17359-2012《微束分析和能譜法定量分析法》分析白色顆粒狀異物及表面其他位置的元素組成；此外，將塑料結(jié)構(gòu)件掰斷后，進(jìn)行形貌、元素組成的對(duì)比分析。

c）依據(jù)GB/T 6040-2002《紅外光譜分析方法通則》和GB/T 19466.3-2004《塑料差示掃描量熱法 (DSC)第3部分：熔融和結(jié)晶溫度及熱熔的測(cè)定》，使用顯微紅外光譜分析儀 (Tensor27&HYPERIONTM2000)結(jié)合示差掃描量熱儀 (NETZSCH DSC 204F1)，明確塑料結(jié)構(gòu)件的基材及白色異物的主要有機(jī)材質(zhì)。

d)依據(jù)ISO 11358-2014《塑料高聚物的熱重分析法 (TG)一般原則》，使用熱重分析儀(TG209 F1)分析塑料結(jié)構(gòu)件的熱降解性能及老化性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 外觀檢查

在顯微鏡下觀察失效塑料結(jié)構(gòu)件的表面，發(fā)現(xiàn)在塑料表面存在大量的白色顆粒狀異物。典型的代表性外觀照片如圖1所示。

圖1 塑料結(jié)構(gòu)件表面的白色顆粒狀異物代表性外觀照片

2.2 SEM&EDS觀察分析

塑料結(jié)構(gòu)件表面的SEM&EDS分析結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，塑料結(jié)構(gòu)件的表面附著有大量的白色顆粒狀異物 (如點(diǎn)1、點(diǎn)2)，對(duì)塑料表面進(jìn)行觀察，可發(fā)現(xiàn)其表面有凸起的斑點(diǎn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)(如點(diǎn)3)。EDS結(jié)果表明：白色顆粒狀異物的主要組成元素為磷 (P)、氧 (O)、碳 (C)，含有少量元素的氮 (N)、鈣 (Ca)等元素；而凸起的斑點(diǎn)結(jié)構(gòu)也檢出了較高含量的P、O、C元素。

將塑料結(jié)構(gòu)件掰斷，對(duì)其斷面進(jìn)行SEM&EDS分析，結(jié)果如圖3所示。由分析結(jié)果可知，塑料基材 (如點(diǎn)4)的主要組成元素為C、N、O，基材中填充的顆粒狀物質(zhì) (如點(diǎn)5)除含基材元素外，均檢出較高含量的P元素，即塑料基材中分散有含磷物質(zhì)。

由上述結(jié)果可知，塑料基材中分散有含磷物質(zhì)，塑料表面存在析出形貌 (凸起的斑點(diǎn))，而塑料表面凸起斑點(diǎn)結(jié)構(gòu)、塑料表面均與白色顆粒異物一樣含有較高含量的P元素，故白色顆粒狀異物為塑料中的含磷物質(zhì)的析出產(chǎn)物。

圖2 塑料結(jié)構(gòu)件表面SEM&EDS結(jié)果

圖3 塑料斷裂截面SEM&EDS結(jié)果

2.3 成分分析 （FT-IR/DSC）

塑料結(jié)構(gòu)件表面的白色異物的紅外圖譜如圖4所示，從圖4中可以看出，白色異物的主要成分為磷酸鹽[3]。塑料結(jié)構(gòu)件中塑料的紅外光譜圖與尼龍的相似 (如圖5所示)，DSC顯示其熔點(diǎn)為260.1℃，由此可以判斷，塑料的主要材質(zhì)為尼龍66[4]。

2.4 熱重分析 （TGA）

隨機(jī)地選取塑料結(jié)構(gòu)件的3個(gè)位置進(jìn)行TGA，詳細(xì)的結(jié)果如表1和圖10-13所示。由分析結(jié)果可知，塑料結(jié)構(gòu)件在320℃左右開(kāi)始分解，在100～260℃范圍內(nèi)時(shí)，可能是水汽及小分子的釋放；此外，TGA結(jié)果還表明塑料結(jié)構(gòu)件3個(gè)位置的失重臺(tái)階數(shù)量、各階失重特征溫度值和失重重量都很接近，說(shuō)明塑料結(jié)構(gòu)件的熱降解性能均勻，無(wú)明顯的老化現(xiàn)象發(fā)生。

3 綜合分析

對(duì)塑料結(jié)構(gòu)件的外觀進(jìn)行外觀觀察，發(fā)現(xiàn)其表面存在大量的白色顆粒狀異物。利用SEM對(duì)塑料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行觀察，可發(fā)現(xiàn)其表面除殘留有白色顆粒狀異物外，還有大量的凸起的斑點(diǎn)結(jié)構(gòu)，呈典型的析出形貌。EDS結(jié)果表明，白色顆粒狀異物的主要組成元素為P、O、C(特征元素為P)；塑料內(nèi)部填充的顆粒狀物質(zhì)的主要元素亦為P；并且塑料表面凸起的斑點(diǎn)結(jié)構(gòu)也可檢出較高含量的P元素，這表明含磷物質(zhì)存在于塑料中，并通過(guò)析出遷移至塑料表面，因而形成了凸起的斑點(diǎn)形貌及白色顆粒狀物質(zhì)聚集。

圖4 塑料結(jié)構(gòu)件表面白色異物與磷酸鹽對(duì)比的紅外譜圖

圖5 塑料結(jié)構(gòu)件中塑料和尼龍對(duì)比的紅外譜圖

圖6 塑料結(jié)構(gòu)件的DSC曲線

圖7 塑料結(jié)構(gòu)件位置一的TGA曲線

圖8 塑料結(jié)構(gòu)件位置一、位置二和位置三的TGA曲線

成分分析結(jié)果表明塑料的主要材質(zhì)為尼龍66，塑料結(jié)構(gòu)件表面的白色顆粒狀異物為磷酸鹽。根據(jù)塑料添加成分推測(cè)磷酸鹽可能是作為阻燃劑添加在塑料中[5-6]。通過(guò)TGA進(jìn)一步分析塑料結(jié)構(gòu)件3個(gè)不同位置的熱失重狀況，結(jié)果表明3個(gè)位置的失重臺(tái)階數(shù)均為一階，并且各階失重特征溫度值、失重重量都很接近，說(shuō)明塑料結(jié)構(gòu)件的熱降解性能均勻，無(wú)明顯的老化現(xiàn)象發(fā)生。

塑料在加工過(guò)程中，阻燃劑與塑料是在強(qiáng)外力的作用下進(jìn)行混合，當(dāng)阻燃劑與塑料的極性不同或相容性不好時(shí)，隨著分子間的不斷運(yùn)動(dòng)，在放置及使用一段時(shí)間后，極性不同或相容性不好的物質(zhì)會(huì)逐漸地分離[7-8]。上述分析結(jié)果表明塑料結(jié)構(gòu)件已發(fā)生明顯的析出，但結(jié)構(gòu)件未見(jiàn)明顯的老化，因此推測(cè)塑料結(jié)構(gòu)件中白色物質(zhì)可能是由于塑料添加的磷酸鹽阻燃劑與基材尼龍66的兼容性不好，在長(zhǎng)時(shí)間放置后發(fā)生析出而產(chǎn)生的。

表1 位置一、位置二、位置三的TGA檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析得知，塑料結(jié)構(gòu)件中白色物質(zhì)析出的原因?yàn)椋核芰辖Y(jié)構(gòu)件添加的磷酸鹽阻燃劑與基材尼龍66的兼容性不好，在長(zhǎng)時(shí)間放置后磷酸鹽發(fā)生析出。析出的磷酸鹽吸附在繼電器的觸點(diǎn)表面，導(dǎo)致繼電器的觸點(diǎn)電阻增大，進(jìn)而導(dǎo)致繼電器失效。