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(jì)、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(jì)、生產(chǎn)工藝，實(shí)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(gè)方面。

2.1 鐵屑卡死驅(qū)動機(jī)構(gòu)

由于鐵心、銜鐵激勵(lì)時(shí)均有磁性，不激勵(lì)時(shí)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(lì)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(diǎn)焊工藝殘?jiān)c飛濺微粒；鉚裝時(shí)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(yàn)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(shí)，簧片上粘附的清洗溶劑在表面張力作用下富集于觸點(diǎn)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(diǎn)周圍。在觸點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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(dú)刷洗，以減輕釬焊時(shí)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(diǎn)等零部件表面都成了有機(jī)污染的對象，出現(xiàn)觸點(diǎn)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(shí)，吹干后再100℃下真空焙烘4小時(shí)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(diǎn)曾出現(xiàn)嚴(yán)重粘結(jié)不釋放現(xiàn)象，用測力計(jì)測粘結(jié)觸點(diǎn)的力，最大者竟達(dá)到35g。這種動合粘結(jié)多為時(shí)隱時(shí)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(yàn)分析表明，觸點(diǎn)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(diǎn)粘結(jié)的內(nèi)在因素，觸點(diǎn)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(diǎn)材料的剛性與導(dǎo)致分子擠壓滲透的物理?xiàng)l件，動合觸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(xiàng)采取相應(yīng)措施的同時(shí)，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(shí)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(yàn)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(diǎn)老化失效。在通常情況下，電觸點(diǎn)本身失效比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它形式的失效比例，電觸點(diǎn)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(diǎn)物理粘結(jié)。在該負(fù)載條件下，觸點(diǎn)反復(fù)開斷時(shí)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(yàn)表明，觸點(diǎn)間隙對金屬轉(zhuǎn)移的具有一定影響：

1)當(dāng)觸點(diǎn)間隙<0.15mm時(shí)，動合觸點(diǎn)間金屬轉(zhuǎn)移較快，正極形成尖峰型突起，較快填補(bǔ)觸點(diǎn)間隙。其失效方式是，開始時(shí)轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)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(diǎn)間隙約為0.17-0.23mm時(shí)，正極觸點(diǎn)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(diǎn)壽命隨著失效率的急劇上升而很快終結(jié)。

3)當(dāng)觸點(diǎn)間隙>0.27mm時(shí)，靜合觸點(diǎn)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(diǎn)，情況更為惡劣，觸點(diǎn)組為燃弧形成的碳膜所覆蓋，靜合組觸點(diǎn)會出現(xiàn)熔焊現(xiàn)象。一般來說，金屬轉(zhuǎn)移對電觸點(diǎn)的影響是：

①迅速減少觸點(diǎn)開斷間隙，導(dǎo)致斷弧能力下降，加速觸點(diǎn)的壽命老化。

②尖峰形突起改變觸點(diǎn)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(diǎn)部位橫斷面尺寸減小到一定尺度時(shí)，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(diǎn)局部電流升溫與燃弧溫升的共同作用，觸點(diǎn)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(shí)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?yàn)R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(jì)觸點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)后，其表現(xiàn)是：電接觸點(diǎn)雙方呈對稱性光潔淺凹鍋型磨損。對全密封觸點(diǎn)，觸點(diǎn)本身十分潔凈，接觸電阻很小，電接點(diǎn)四周零部件上粘附著放射狀黑色濺射物及濺落的觸點(diǎn)材料微粒。對非密封電觸點(diǎn)，觸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)損傷，熔接失效。

3)燃弧殘物導(dǎo)致開路失效。

對密封電觸點(diǎn)，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(diǎn)間燃弧極性與電場方向交變，觸點(diǎn)雙方處于正或負(fù)的概率相等，燃弧所導(dǎo)致的觸點(diǎn)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(jì)上采用密封電觸點(diǎn)，增大觸點(diǎn)的可斷間隙，增大絕緣部件或增大絕緣部件與觸點(diǎn)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(shí)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。