【最新资料】电磁继电器常见失效模式、失效原因及失效机理-朱军辉ppt模版课件

航天材料及工艺研究所 电磁继电器常见失效模式、失电磁继电器常见失效模式、失 效原因及失效机理分析效原因及失效机理分析 703703所所 航天检测和失效分析中心航天检测和失效分析中心 朱军辉朱军辉 航天材料及工艺研究所 继电器是航天、航空等领域应用非常广泛的电子元 件，它是用较小电流来控制较大电流的一种自动开关。 继电器种类繁多，通常将继电器分为电磁继电器、 干簧继电器、时间继电器及固态继电器等几种。 其中电磁继电器结构简单、工作可靠，是应用最广 泛的一种继电器。 1.引言 航天材料及工艺研究所 电磁继电器主要由线圈、铁芯、衔铁、轭铁 、复位弹簧及两组或多组簧片等组成。 2.电磁继电器的基本结构及工作原理 电磁继电器基本结构 航天材料及工艺研究所 电磁继电器利用电磁感应原理进行工作。 通: 线圈通电 线圈中心的铁芯被磁化 衔铁吸合 推动簧片动作 常开簧片吸合、常闭簧片打开 断： 切断线圈电流 铁芯失去磁性 衔铁复位 常开簧片打开、常闭簧片吸合 2.电磁继电器的基本结构及工作原理 磁力 杠杆作用 弹簧力作用 航天材料及工艺研究所 由于生产环境、工艺以及继电器本身的结构设计等原因， 导致继电器的失效时有发生。 对2004、2005年完成的1500余项电子元器件失效分析任务 进行分析，发现继电器所占的失效比例相当高（18） ，仅次 于单片集成电路（21） ，与分立器件并列排在第二位。 3.继电器失效分析统计 2004、 2005年 各类元 器件失 效分析 比例 航天材料及工艺研究所 到2008年时，继电器在所有失效分析电子元器件中的比例 已经超过单片集成电路（19） ，居于失效元器件分析比例的 第一位（22） 。 3.继电器失效分析统计 2008年 各类元 器件失 效分析 比例 航天材料及工艺研究所 4.电磁继电器常见失效模式 电磁继电器常见失效模式可以归纳为如下几种： 失效模式失效原因 功能失效 常闭闭点开路多余物、沾污污及结结构缺陷等 加电电后常开点不吸合 多余物、沾污污、簧片断裂及间间隙 调调整不当等 断电电后常开点不释释放 触点粘连连、多余物卡滞、簧片位移 等 线线圈开路 焊焊点虚焊焊、引出线线或漆包线线断裂 等 参数失效 触点接触电电阻增大 触点沾污污或烧蚀烧蚀 后接触压压力变变小 、镀层损镀层损 坏氧化等 触点或线线圈与壳体绝缘绝缘 电电阻下降 绝缘绝缘 子表面沾污污、银银离子迁移及 间间隙过过小等 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.1继电器内部多余物 结合失效分析的实际案例，从以下几方面对电 磁继电器常见失效原因及失效机理进行介绍： 5.2触点表面沾污 5.3工艺结构不当 5.4触点烧蚀、粘连 5.5银离子迁移 5.6外部应力导致簧片位移 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.1继电器内部多余物引起的失效 内部存在可动多余物而引起的失效是继电器出现最多的 一种失效原因。由于继电器内部有动作部位，且触点间、推 动杆与衔铁间间隙较小，因此极小的多余物即可能引起继电 器失效。且多余物引起的失效有不固定性，可能表现为时好 时坏，甚至可能出现一次故障后很难复现，这主要与多余物 具有可动性有关。从失效分析结果来看，多余物主要分为导 电性金属多余物和不导电的非金属多余物。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.1继电器内部多余物引起的失效 从失效分析的结果来看，多余物主要分为导电性金属多 余物和不导电的非金属多余物。金属多余物主要有金属屑、 焊锡渣及点焊飞溅物等；非金属多余物则包括松香焊剂、包 扎线圈用的生胶带、导线绝缘皮、纤维及某些无机物等。 金属多余物 非金属多余物 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.1继电器内部多余物引起的失效 多余物引起的失效机理主要有以下几种： a.多余物使推动杆受阻或者卡在衔铁与轭铁之间，使衔铁无法 动作、推动杆动作不到位，导致触点不能正常开闭； 多余物 使推动 杆受阻 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.1继电器内部多余物引起的失效 多余物 卡在衔 铁与轭 铁之间 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.1继电器内部多余物引起的失效 b.金属多余物将不该导通的两点之间跨接； 多余 焊料 将簧 片之 间搭 接 2.7mm 机加工金属多余 物将引线柱与壳 体之间搭接 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.1继电器内部多余物引起的失效 c.多余物卡在转轴与轴孔之间，使转轴卡滞，无法转动，导致 触点不能正常开闭； 金属 多余 物卡 滞 清洗后 残留在 轴孔内 壁的有 机多余 物使转 轴卡滞 有 机 纤 维 多 余 物 卡 滞 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.1继电器内部多余物引起的失效 d.非金属多余物卡在簧片之间导致常开点或常闭点无法吸合。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.1继电器内部多余物引起的失效 多余物的来源主要与生产工艺过程控制不严有关，如生 产环境达不到控制要求，存在较多的灰尘及纤维等，点焊后 的毛刺没有很好去除，焊接后未进行很好的清洗等均是引入 多余物的根源。 此外，随着继电器使用环境，特别是振动条件的要求越 来越高，在使用过程中，有些继电器转轴与轴孔之间产生较 严重的磨损，形成较多的金属粉末，使转轴与轴孔之间的摩 擦阻力增大，导致继电器加电后衔铁无法动作、常闭簧片不 吸合失效，有时增大线包电压，失效现象会消失。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.1继电器内部多余物引起的失效 轴孔内 壁磨损 转轴表 面磨损 磨损形成的 金属粉末 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.2触点表面沾污引起的失效 触点表面存在沾污通常引起电磁继电器触点出现接触电 阻增大甚至开路的失效模式。 接触电阻只有小幅增大的继电器，启封后接触电阻有可 能恢复正常，对继电器内部结构及触点压力进行检查，均无 异常现象；但用扫描电镜观察触点表面时，会发现触点表面 存在附着物，这些附着物主要有两类：一类为无机物，如Si 、Ca、Al等的氧化物；而另一类主要成分为含C、O的有机 物。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 无 机 沾 污 有 机 沾 污 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.2触点表面沾污引起的失效 沾污引起触点开路的继电器，启封后对继电器内部进行 观察，在触点表面会发现较多的白色颗粒状附着物，有时这 些附着物会聚集成薄膜状，对这些附着物进行分析，主要成 分为含C、O的有机物。 颗粒 状白 色附 着物 白色附 着物聚 集成薄 膜状 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.2触点表面沾污引起的失效 无机物沾污的来源与器件封装前工艺环境不良，存在较多尘土有关。 附着的有机沾污是如何形成的呢？有机附着物呈颗粒状或厚度很薄， 且只有触点附近有这些物质存在，簧片上其它位置没有该种物质。从其形 态判断，这些附着物应是在继电器封装后逐步生成，而不是有形的多余物 直接附着所致。其形成机理为：继电器内部存在生胶带及封焊时采用松香 焊剂，在一定温度下由于生胶带本身不稳定而释放一部分有机小分子，在 焊接过程中松香焊料气化也会形成一部分有机小分子，这些小分子存在于 继电器腔体内，在继电器使用过程中，有机小分子向电场强度最大的触点 位置吸附、聚集，聚集的小分子重新交联而在触点表面形成有机物颗粒、 薄膜。由于其本身不导电，引起触点处接触电阻增大甚至完全开路失效。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.3工艺结构不当引起的失效 继电器内部具有动作部分，其腔体体积小，需 要安装的零件较多，由于本身结构及工艺上的缺 陷而引起的失效时有发生，总结起来有如下几个 方面： 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.3工艺结构不当引起的失效 a.推动杆形状调整不当而使触点工作不到位 继电器内部的推动杆均采用手工调整，且继电器内部 通常有多组触点，因此各个推动杆与簧片之间的间隙调整就 显得很重要，在失效分析过程中，经常发现由于各个推动杆 与簧片之间间隙不一致，致使继电器中的某组触点在工作过 程中动作后常开点无法闭合，这主要是由于该组触点推动杆 与簧片间隙较大，在其余各组触点均吸合到位后该组触点无 法到位或接触压力很小而失效。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 过大间距 正常间距 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.3工艺结构不当引起的失效 b.簧片压力不足 该种失效主要出现在常闭触点，在继电器簧片调整过 程中，正常情况下，中簧片与常闭簧片之间应该有一定的 预压力，而预压力是靠人工调整，如预压力很小，则工作 一段时间后，由于触点表面磨损变形，该组触点则会由于 接触压力不足表现为时好时坏甚至完全开路。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.3工艺结构不当引起的失效 c.内部组件安装位置不当 继电器内部由于簧片或推动杆位置安装不当而引起的 失效，主要表现为簧片过长或推动杆形状不良，造成其与 壳体间隙变小，在继电器安装时壳体受到一定外应力产生 变形，导致推动杆或簧片与壳体之间碰接而产生失效。 簧片与壳 体接触 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 推 动 杆 位 置 异 常 推 动 杆 位 置 正 常 c.内部组件安装位置不当 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 簧片 位置 安装 不当 与相邻簧 片接触 簧片间隙过小 ，产生拉弧 c.内部组件安装位置不当 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.3工艺结构不当引起的失效 c.内部组件安装位置不当 继电器内部由于转轴与孔口配合不当，会导致转轴从 孔口内脱出或者转轴卡在孔口内，导致继电器衔铁无法动 作失效，这种失效通常发生在孔口为U型槽的继电器。 转轴 卡在U 型槽 内 转轴从U型 槽内脱出 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.3工艺结构不当引起的失效 d.簧片断裂 继电器簧片断裂位置通常位于其引线柱焊接的位置附 近。其失效机理是由于簧片与引线柱焊接时温度较高、时 间较长，使焊点附近的簧片产生过烧、晶界弱化，且由于 加电使用过程中，簧片在引线柱焊点附近受到的应力作用 较大，最终导致簧片在焊点附近脆性断裂。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 d.簧片断裂 簧片 断裂 位置 簧片 沿晶 断口 及晶 界过 热、 熔融 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.3工艺结构不当引起的失效 e.线圈开路 线圈开路通常是由于线圈引出线或漆包线断裂以及引 出线与引线柱或者与漆包线之间焊点脱开或者虚焊所致。 继电器一般采用与安装轴之间的轻微过盈配合而固定 线圈。由于线圈骨架与固定轴之间存在配合公差，在振动 环境条件下可能引起线圈与固定轴之间产生转动以及轴向 运动，从而在线圈引出线上附加一定的振动应力，振动一 段时间后，导致线圈引出线产生疲劳断裂。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 e.线圈开路 线圈与支 架间缝隙 线圈引出线 断裂位置 断口全貌 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 e.线圈开路 线圈与支 架间缝隙 线圈引出线 断裂位置 疲劳断口全貌 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.3工艺结构不当引起的失效 e.线圈开路 漆包线断裂通常是由于线圈绕制过程中，漆包线受到损 伤或者漆包线在线圈内部存有较大安装应力，在随后的振动 、温循及加电过程中，漆包线多次受到机械应力、热应力的 作用而断裂。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 e.线圈开路 漆包线断裂形貌 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 e.线圈开路 线圈引出线与漆包线或引线柱之间虚焊均是由于焊接 工艺不当引起，包括焊接时间、焊接温度、引出线的处理 等。 引出线与漆包线之间虚焊 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 e.线圈开路 线圈引出线与引线柱之间焊点脱开主要有两种机理， 一是两者之间有效焊接面积较小，焊接强度较低，在后续 应力作用下，引出线和引线柱在焊点位置脱开，脱开界面 上一般可以观察到较大面积的自由表面；另一是在焊接或 装配过程中，引出线与引线拄之间的焊点受损，使其连接 强度降低，在后续应力作用下，两者之间脱开，通常在脱 开界面上可以观察到明显的韧窝形貌。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 e.线圈开路 脱开 界面 上的 自由 表面 焊点脱开 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 e.线圈开路 焊点脱开 脱开 界面 韧窝 形貌 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.4触点烧蚀、粘连引起的失效 继电器触点在烧蚀、粘连表现为断电后常开触点不释 放、加电时常闭触点不断开，在烧蚀不严重的情况下，有 时在一定的振动应力下，粘连的簧片会重新脱开，烧蚀触 点露出白色的簧片基体；在烧蚀严重时，会将簧片烧熔， 形成熔球。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.4触点烧蚀、粘连引起的失效 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.5银离子迁移引起的失效 银离子迁移可引起继电器的绝缘电阻下降到几百欧姆。 银离子迁移有时表现在壳体外部，有时表现在壳体内部玻璃 绝缘子上，其形成机理为：由于继电器多采用镀银外壳，镀 银外壳在使用过程中吸附部分S、Cl等腐蚀性介质元素，或 电镀前由于清洗不干净而在引线根部残留部分腐蚀性介质而 形成Ag的硫化物或氯化物，形成的硫化物和氯化物在湿度较 大的使用环境中吸附部分潮气分解出Ag离子。当继电器加电 时，引线柱与壳体之间存在电位差而形成电场，在电场作用 下Ag离子逐步迁移，其迁移产物的形态均呈树枝晶状，当迁 移产物将引线与壳体之间跨接时，则会引起绝缘电阻下降。 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析 5.5银离子迁移引起的失效 绝缘子外表面银 离子迁移形貌 航天材料及工艺研究所 5.电磁继电器常见失效原因及失效机理