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1、航天材料及工艺研究所,电磁继电器常见失效模式、失效原因及失效机理分析 703所航天检测和失效分析中心 朱军辉,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,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,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
2、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,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,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、 。,3.继电器失效分析统计,2008年各类元器件失效分析比例,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：,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,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
4、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。,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,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
5、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,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,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,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
6、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,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。,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
7、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。,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,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
8、、Al等的氧化物；而另一类主要成分为含C、O的有机物。,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,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,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
9、，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。,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
10、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：,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。,5.电磁继电器常见失效原因及失
11、效机理分析,过大间距,正常间距,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。,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
12、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,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,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,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,5.电磁继电器常见失效
13、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。,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,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
14、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。,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,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,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
15、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。,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,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,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
16、，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。,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,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,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。,5.电磁继电器常见失
17、效原因及失效机理分析,5.4触点烧蚀、粘连引起的失效,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
18、物将引线与壳体之间跨接时，则会引起绝缘电阻下降。,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,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,绝缘子内表面银离子迁移形貌,5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析,5.6外部应力导致簧片位移,外部应力导致簧片位移一般发生在微型继电器上，失效模式为常闭、常开触点状态异常，即常态或者加电状态下，继电器的常闭开路、常开短路或常闭、常开均开路或常闭、常开均短路。通常可以观察到玻璃绝缘子破裂形貌。 其失效机理是在安装、焊接等外部应力的作用下，继电器外引线的玻璃绝缘子开裂，使得外引线
19、发生转动或者轴向位移，从而带动内部簧片产生位移，导致继电器触点状态异常而失效。,5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析,5.6外部应力导致簧片位移,玻璃绝缘子开裂,常闭、常开均短路,5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析,5.6外部应力导致簧片位移,常闭、常开均开路,常闭开路、常开短路,6.结束语,以上对继电器的一些常见失效模式、失效原因及失效机理进行了介绍，从中可以看到这些失效模式大部分是由于继电器的生产工艺控制不当引起的，因此对于继电器生产厂家来说，改善生产环境、完善质量控制及检验制度对于预防继电器频繁发生失效将会起到非常关键的作用。此外，用户必须依据实际使用要求，首先优选使用类型，再审慎确定所需的功能特性与物理特性（包括环境适应性要求、输入、输出参数、时间参数、触点寿命、 体积、重量、安装尺寸、安装方式、密封性等），从而选用适合的继电器，对于避免使用过程中导致的失效也有重要意义。,谢谢各位，敬请指正！,