電磁繼電器常見失效模式、失效原因及失效機理PPT

1、航天材料及工藝研究所,電磁繼電器常見失效模式、失效原因及失效機理分析 703所 航天檢測和失效分析中心 朱軍輝,繼電器是航天、航空等領域應用非常廣泛的電子元件，它是用較小電流來控制較大電流的一種自動開關。 繼電器種類繁多，通常將繼電器分為電磁繼電器、干簧繼電器、時間繼電器及固態(tài)繼電器等幾種。 其中電磁繼電器結構簡單、工作可靠，是應用最廣泛的一種繼電器。,1.引言,電磁繼電器主要由線圈、鐵芯、銜鐵、軛鐵、復位彈簧及兩組或多組簧片等組成。,2.電磁繼電器的基本結構及工作原理,電磁繼電器基本結構,電磁繼電器利用電磁感應原理進行工作。 通: 線圈通電 線圈中心的鐵芯被磁化 銜鐵吸合 推動簧片動作 常開

2、簧片吸合、常閉簧片打開 斷： 切斷線圈電流 鐵芯失去磁性 銜鐵復位 常開簧片打開、常閉簧片吸合,2.電磁繼電器的基本結構及工作原理,磁力,杠桿作用,彈簧力作用,由于生產(chǎn)環(huán)境、工藝以及繼電器本身的結構設計等原因， 導致繼電器的失效時有發(fā)生。 對2004、2005年完成的1500余項電子元器件失效分析任務進行分析，發(fā)現(xiàn)繼電器所占的失效比例相當高（18） ，僅次于單片集成電路（21） ，與分立器件并列排在第二位。,3.繼電器失效分析統(tǒng)計,2004、2005年各類元器件失效分析比例,到2008年時，繼電器在所有失效分析電子元器件中的比例已經(jīng)超過單片集成電路（19） ，居于失效元器件分析比例的第一位（2

3、2） 。,3.繼電器失效分析統(tǒng)計,2008年各類元器件失效分析比例,4.電磁繼電器常見失效模式,電磁繼電器常見失效模式可以歸納為如下幾種：,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.1繼電器內(nèi)部多余物,結合失效分析的實際案例，從以下幾方面對電磁繼電器常見失效原因及失效機理進行介紹：,5.2觸點表面沾污,5.3工藝結構不當,5.4觸點燒蝕、粘連,5.5銀離子遷移,5.6外部應力導致簧片位移,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.1繼電器內(nèi)部多余物引起的失效,內(nèi)部存在可動多余物而引起的失效是繼電器出現(xiàn)最多的一種失效原因。由于繼電器內(nèi)部有動作部位，且觸點間、推動桿與銜鐵間間隙較小，因此極

4、小的多余物即可能引起繼電器失效。且多余物引起的失效有不固定性，可能表現(xiàn)為時好時壞，甚至可能出現(xiàn)一次故障后很難復現(xiàn)，這主要與多余物具有可動性有關。從失效分析結果來看，多余物主要分為導電性金屬多余物和不導電的非金屬多余物。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.1繼電器內(nèi)部多余物引起的失效,從失效分析的結果來看，多余物主要分為導電性金屬多余物和不導電的非金屬多余物。金屬多余物主要有金屬屑、焊錫渣及點焊飛濺物等；非金屬多余物則包括松香焊劑、包扎線圈用的生膠帶、導線絕緣皮、纖維及某些無機物等。,金屬多余物,非金屬多余物,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.1繼電器內(nèi)部多余物引起的失效

5、,多余物引起的失效機理主要有以下幾種：,a.多余物使推動桿受阻或者卡在銜鐵與軛鐵之間，使銜鐵無法動作、推動桿動作不到位，導致觸點不能正常開閉；,多余物使推動桿受阻,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.1繼電器內(nèi)部多余物引起的失效,多余物卡在銜鐵與軛鐵之間,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.1繼電器內(nèi)部多余物引起的失效,b.金屬多余物將不該導通的兩點之間跨接；,多余焊料將簧片之間搭接,2.7mm,機加工金屬多余物將引線柱與殼體之間搭接,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.1繼電器內(nèi)部多余物引起的失效,c.多余物卡在轉(zhuǎn)軸與軸孔之間，使轉(zhuǎn)軸卡滯，無法轉(zhuǎn)動，導致觸點不能

6、正常開閉；,金屬多余物卡滯,清洗后殘留在軸孔內(nèi)壁的有機多余物使轉(zhuǎn)軸卡滯,有機纖維多余物卡滯,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.1繼電器內(nèi)部多余物引起的失效,d.非金屬多余物卡在簧片之間導致常開點或常閉點無法吸合。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.1繼電器內(nèi)部多余物引起的失效,多余物的來源主要與生產(chǎn)工藝過程控制不嚴有關，如生產(chǎn)環(huán)境達不到控制要求，存在較多的灰塵及纖維等，點焊后的毛刺沒有很好去除，焊接后未進行很好的清洗等均是引入多余物的根源。,此外，隨著繼電器使用環(huán)境，特別是振動條件的要求越來越高，在使用過程中，有些繼電器轉(zhuǎn)軸與軸孔之間產(chǎn)生較嚴重的磨損，形成較多的金屬粉末

7、，使轉(zhuǎn)軸與軸孔之間的摩擦阻力增大，導致繼電器加電后銜鐵無法動作、常閉簧片不吸合失效，有時增大線包電壓，失效現(xiàn)象會消失。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.1繼電器內(nèi)部多余物引起的失效,軸孔內(nèi)壁磨損,轉(zhuǎn)軸表面磨損,磨損形成的金屬粉末,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.2觸點表面沾污引起的失效,觸點表面存在沾污通常引起電磁繼電器觸點出現(xiàn)接觸電阻增大甚至開路的失效模式。 接觸電阻只有小幅增大的繼電器，啟封后接觸電阻有可能恢復正常，對繼電器內(nèi)部結構及觸點壓力進行檢查，均無異?，F(xiàn)象；但用掃描電鏡觀察觸點表面時，會發(fā)現(xiàn)觸點表面存在附著物，這些附著物主要有兩類：一類為無機物，如Si、

8、Ca、Al等的氧化物；而另一類主要成分為含C、O的有機物。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,無機沾污,有機沾污,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.2觸點表面沾污引起的失效,沾污引起觸點開路的繼電器，啟封后對繼電器內(nèi)部進行觀察，在觸點表面會發(fā)現(xiàn)較多的白色顆粒狀附著物，有時這些附著物會聚集成薄膜狀，對這些附著物進行分析，主要成分為含C、O的有機物。,顆粒狀白色附著物,白色附著物聚集成薄膜狀,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.2觸點表面沾污引起的失效,無機物沾污的來源與器件封裝前工藝環(huán)境不良，存在較多塵土有關。 附著的有機沾污是如何形成的呢？有機附著物呈顆粒狀或厚度

9、很薄，且只有觸點附近有這些物質(zhì)存在，簧片上其它位置沒有該種物質(zhì)。從其形態(tài)判斷，這些附著物應是在繼電器封裝后逐步生成，而不是有形的多余物直接附著所致。其形成機理為：繼電器內(nèi)部存在生膠帶及封焊時采用松香焊劑，在一定溫度下由于生膠帶本身不穩(wěn)定而釋放一部分有機小分子，在焊接過程中松香焊料氣化也會形成一部分有機小分子，這些小分子存在于繼電器腔體內(nèi)，在繼電器使用過程中，有機小分子向電場強度最大的觸點位置吸附、聚集，聚集的小分子重新交聯(lián)而在觸點表面形成有機物顆粒、薄膜。由于其本身不導電，引起觸點處接觸電阻增大甚至完全開路失效。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.3工藝結構不當引起的失效,繼電器內(nèi)

10、部具有動作部分，其腔體體積小，需要安裝的零件較多，由于本身結構及工藝上的缺陷而引起的失效時有發(fā)生，總結起來有如下幾個方面：,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.3工藝結構不當引起的失效,a.推動桿形狀調(diào)整不當而使觸點工作不到位 繼電器內(nèi)部的推動桿均采用手工調(diào)整，且繼電器內(nèi)部通常有多組觸點，因此各個推動桿與簧片之間的間隙調(diào)整就顯得很重要，在失效分析過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)由于各個推動桿與簧片之間間隙不一致，致使繼電器中的某組觸點在工作過程中動作后常開點無法閉合，這主要是由于該組觸點推動桿與簧片間隙較大，在其余各組觸點均吸合到位后該組觸點無法到位或接觸壓力很小而失效。,5.電磁繼電器常見失效原因

11、及失效機理分析,過大間距,正常間距,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.3工藝結構不當引起的失效,b.簧片壓力不足 該種失效主要出現(xiàn)在常閉觸點，在繼電器簧片調(diào)整過程中，正常情況下，中簧片與常閉簧片之間應該有一定的預壓力，而預壓力是靠人工調(diào)整，如預壓力很小，則工作一段時間后，由于觸點表面磨損變形，該組觸點則會由于接觸壓力不足表現(xiàn)為時好時壞甚至完全開路。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.3工藝結構不當引起的失效,c.內(nèi)部組件安裝位置不當 繼電器內(nèi)部由于簧片或推動桿位置安裝不當而引起的失效，主要表現(xiàn)為簧片過長或推動桿形狀不良，造成其與殼體間隙變小，在繼電器安裝時殼體受到一定外

12、應力產(chǎn)生變形，導致推動桿或簧片與殼體之間碰接而產(chǎn)生失效。,簧片與殼體接觸,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,推動桿位置異常,推動桿位置正常,c.內(nèi)部組件安裝位置不當,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,簧片位置安裝不當,與相鄰簧片接觸,簧片間隙過小，產(chǎn)生拉弧,c.內(nèi)部組件安裝位置不當,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.3工藝結構不當引起的失效,c.內(nèi)部組件安裝位置不當 繼電器內(nèi)部由于轉(zhuǎn)軸與孔口配合不當，會導致轉(zhuǎn)軸從孔口內(nèi)脫出或者轉(zhuǎn)軸卡在孔口內(nèi)，導致繼電器銜鐵無法動作失效，這種失效通常發(fā)生在孔口為U型槽的繼電器。,轉(zhuǎn)軸卡在U型槽內(nèi),轉(zhuǎn)軸從U型槽內(nèi)脫出,5.電磁繼電器常見

13、失效原因及失效機理分析,5.3工藝結構不當引起的失效,d.簧片斷裂 繼電器簧片斷裂位置通常位于其引線柱焊接的位置附近。其失效機理是由于簧片與引線柱焊接時溫度較高、時間較長，使焊點附近的簧片產(chǎn)生過燒、晶界弱化，且由于加電使用過程中，簧片在引線柱焊點附近受到的應力作用較大，最終導致簧片在焊點附近脆性斷裂。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,d.簧片斷裂,簧片斷裂位置,簧片沿晶斷口及晶界過熱、熔融,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.3工藝結構不當引起的失效,e.線圈開路,線圈開路通常是由于線圈引出線或漆包線斷裂以及引出線與引線柱或者與漆包線之間焊點脫開或者虛焊所致。 繼電器一般采

14、用與安裝軸之間的輕微過盈配合而固定線圈。由于線圈骨架與固定軸之間存在配合公差，在振動環(huán)境條件下可能引起線圈與固定軸之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)動以及軸向運動，從而在線圈引出線上附加一定的振動應力，振動一段時間后，導致線圈引出線產(chǎn)生疲勞斷裂。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,e.線圈開路,線圈與支架間縫隙,線圈引出線斷裂位置,斷口全貌,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,e.線圈開路,線圈與支架間縫隙,線圈引出線斷裂位置,疲勞斷口全貌,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.3工藝結構不當引起的失效,e.線圈開路,漆包線斷裂通常是由于線圈繞制過程中，漆包線受到損傷或者漆包線在線圈內(nèi)部存有較大

15、安裝應力，在隨后的振動、溫循及加電過程中，漆包線多次受到機械應力、熱應力的作用而斷裂。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,e.線圈開路,漆包線斷裂形貌,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,e.線圈開路,線圈引出線與漆包線或引線柱之間虛焊均是由于焊接工藝不當引起，包括焊接時間、焊接溫度、引出線的處理等。,引出線與漆包線之間虛焊,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,e.線圈開路,線圈引出線與引線柱之間焊點脫開主要有兩種機理，一是兩者之間有效焊接面積較小，焊接強度較低，在后續(xù)應力作用下，引出線和引線柱在焊點位置脫開，脫開界面上一般可以觀察到較大面積的自由表面；另一是在焊接或裝配過

16、程中，引出線與引線拄之間的焊點受損，使其連接強度降低，在后續(xù)應力作用下，兩者之間脫開，通常在脫開界面上可以觀察到明顯的韌窩形貌。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,e.線圈開路,脫開界面上的自由表面,焊點脫開,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,e.線圈開路,焊點脫開,脫開界面韌窩形貌,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.4觸點燒蝕、粘連引起的失效,繼電器觸點在燒蝕、粘連表現(xiàn)為斷電后常開觸點不釋放、加電時常閉觸點不斷開，在燒蝕不嚴重的情況下，有時在一定的振動應力下，粘連的簧片會重新脫開，燒蝕觸點露出白色的簧片基體；在燒蝕嚴重時，會將簧片燒熔，形成熔球。,5.電磁繼電器常

17、見失效原因及失效機理分析,5.4觸點燒蝕、粘連引起的失效,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.5銀離子遷移引起的失效,銀離子遷移可引起繼電器的絕緣電阻下降到幾百歐姆。銀離子遷移有時表現(xiàn)在殼體外部，有時表現(xiàn)在殼體內(nèi)部玻璃絕緣子上，其形成機理為：由于繼電器多采用鍍銀外殼，鍍銀外殼在使用過程中吸附部分S、Cl等腐蝕性介質(zhì)元素，或電鍍前由于清洗不干凈而在引線根部殘留部分腐蝕性介質(zhì)而形成Ag的硫化物或氯化物，形成的硫化物和氯化物在濕度較大的使用環(huán)境中吸附部分潮氣分解出Ag離子。當繼電器加電時，引線柱與殼體之間存在電位差而形成電場，在電場作用下Ag離子逐步遷移，其遷移產(chǎn)物的形態(tài)均呈樹枝晶狀，當遷

18、移產(chǎn)物將引線與殼體之間跨接時，則會引起絕緣電阻下降。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.5銀離子遷移引起的失效,絕緣子外表面銀離子遷移形貌,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.5銀離子遷移引起的失效,絕緣子內(nèi)表面銀離子遷移形貌,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.6外部應力導致簧片位移,外部應力導致簧片位移一般發(fā)生在微型繼電器上，失效模式為常閉、常開觸點狀態(tài)異常，即常態(tài)或者加電狀態(tài)下，繼電器的常閉開路、常開短路或常閉、常開均開路或常閉、常開均短路。通?？梢杂^察到玻璃絕緣子破裂形貌。 其失效機理是在安裝、焊接等外部應力的作用下，繼電器外引線的玻璃絕緣子開裂，使得外引線發(fā)生轉(zhuǎn)動或者軸向位移，從而帶動內(nèi)部簧片產(chǎn)生位移，導致繼電器觸點狀態(tài)異常而失效。,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.6外部應力導致簧片位移,玻璃絕緣子開裂,常閉、常開均短路,5.電磁繼電器常見失效原因及失效機理分析,5.6外部應力導致