气体电离引发的可靠性问题研究

刘丽媛，李少平，蔡 伟

(工业和信息化部电子第五研究所元器件可靠性研究分析中心，广州 5106101）

0 引言

气体具有电离导电的特性，可追溯到1928年朗谬尔定义的“等离子体”的概念［1］。自然界中的闪电、极光，生活中干燥天气产生的静电等现象都与气体电离导电有关［2］。气体电离也可能引发电力、电子装备出现飞弧现象从而导致可靠性问题，如已有报道的继电器或其他开关器件触点间飞弧导致的失效［3］，芯片级电路不同电位金属化间飞弧放电导致的失效［4］等。

飞弧现象引发的失效发生在工程应用中，往往产生严重的后果，如器件或PCB大面积烧毁，电极碳化烧熔，密闭腔体内起火等，它使装备损毁，甚至引发火灾等恶性事故［5-6］。因此，在工程应用中，飞弧现象的判断和预防越来越受到人们的重视。

飞弧现象一般是指高低电压两电极之间产生的非正常直接放电现象。一般认为，飞弧放电现象需要高电场使两电极间气体(通常为空气)电离，形成导电回路，即空气击穿;但是干燥空气的击穿场强很大，匀强电场时击穿场强是30 kV/cm［7］，正常情况下很难发生空气击穿。此外，气体放电理论还不能对实际的空气击穿电压进行准确计算［8］。因而对应用中出现的实际失效情况进行分析总结，将对失效经验的积累和其他工程应用中飞弧现象的预防，有着不可替代的指导意义。

本研究将列举具体的由于空气电离导致的飞弧放电现象引发的典型失效案例，总结空气电离所引发飞弧现象而使电子器件失效的现场特征、判断依据和方法，分析引发气体电离而产生飞弧放电的具体原因，并从产品设计、制造、使用等阶段，结合具体使用环境，给出相应的可靠性提高途径和方法。

1 典型案例

1.1 励磁机内部飞弧放电失效

大功率整流二极管(图1a)是电厂发电机中励磁机的整流器。励磁机系统在空载调试时系统出现异常，其中二极管和与其串联的熔断器大量失效:30个整流单元中有26个整流单元熔断器异常，失效现象为熔断器中保险丝熔断开路或存在较大的阻值，失效机理为过流烧毁;大功率整流二极管出现了11个短路失效，其余15个二极管电极之间可测到漏电，但没有短路。分析发现二极管电极间存在飞弧放电现象，飞弧产生的残留物存在于外部电极之间的绝缘子表面(图1b、1c)。采用扫描电镜对残留物进行X射线能谱进行检查，其成份主要为 Al、Cu、Sn、Fe等导电金属(图2)。推测含有导电金属的残留物导致了二极管的漏电。清洗后二极管漏电减弱或消失。由于二极管串联的熔断器表面金属是Ag，而二极管顶端(负极)的散热器为Al;因此，残留物中不含Ag的结果可以说明，二极管的负极散热器尖端与二极管底座(正极)间空气介质被击穿产生了飞弧放电。且现场散热器尖端有残缺现象，进一步证实这一判断。对于短路的二极管，开封后发现硅本体出现空洞，但腔体内未见烧毁，如图1d所示。证明二极管击穿是由瞬时高压所致，而不是持续大电流。

图1 失效二极管的照片Fig.1 Images of the failed diode

图2 残留物的X射线能谱检查结果Fig.2 EDX results of the residues

基于以上分析，二极管存在漏电和短路2种失效模式，是由于飞弧放电产生瞬间大电流，使串联的熔断器失效。若熔断器已经断开，则二极管所在电路断路，而在表面附着了飞弧放电产生的残留物，使二极管两极间形成漏电通道;若熔断器未完全断开，存在于整流电路中的大量线圈电感则使飞弧放电产生的瞬间大电流转化产生瞬间高压，使部分二极管击穿而短路。

但是，正常工作条件时的电场不足以使空气介质击穿。对具体环境的检查发现，励磁机所在环境气氛中存在水汽、尘埃、有机气体等，在励磁机内部气氛中也有水汽、尘埃或有机沾污的存在，这会使二极管有效绝缘距离减小，绝缘电压降低，从而使励磁机内部在正常的工作电压下出现飞弧放电，导致上述失效发生。

在上述案例中，可以发现此类失效的发生需具备2个条件:1)设备内部、器件表面气氛中有水汽、尘埃、或有机玷污的存在，使二极管在正常工作电压下能够使表面气体电离;2)气体电离发生直流电源回路，提供了持续能量使放电发生，并产生大电流烧毁保险丝。

1.2 接插件电极间的飞弧放电失效

某电子元件－接插件(图3a)在装配前进行环境试验过程中发现失效。DC 80V电源通过接插件A4引脚、A5引脚(接地)给产品供电。检查后，确认失效发生在接插件内部，失效模式为短路。图3a方框中为接插件外观的异常形貌，图3b中可以看到A4、A5引脚底部套管已经碳化，并有金属熔融物。这表明，A4、A5引脚底部曾经受高温。

图3 失效接插件照片Fig.3 Images of the failed connector

图3c是对样品进行环氧固封、研磨后的剖面形貌。图中可见接插件接触部位为铜柱，铜柱与绝缘材料的装配结构中有凸起结构，铜柱与连接线之间采用锡铅焊接。特别的是，A4、A5引脚在铜柱凸起结构处已经被电蚀，电蚀部位的Cu与Sn-Pb焊料形成合金，而且，铜柱电蚀消耗最多的部位是凸起结构的中间位置，如图3d中箭头所示。由图中观察，铜柱发生电蚀，是电极之间飞弧放电引起的结果。经检查发现，引脚之间飞弧放电的诱发因素主要是引脚多余物。推测多余物来自引脚焊接的锡铅颗粒。如果焊接时出现锡铅颗粒掉落，此颗粒将减小铜柱之间的有效绝缘距离，从而降低铜柱之间的耐受绝缘电压。在正常使用过程中，2个电极(DC 80V与地)间电压超过了有效绝缘距离的耐受电压，从而铜柱之间气体产生电离，并有持续能量提供，由此引发飞弧放电，至金属熔融迁移，最终引起铜柱之间短路。

1.3 密闭腔体内的飞弧放电失效

图4为配电控制器严重烧毁失效后的实物图。控制器输入端的100A/AC110V三相交流接触器使用半年后烧毁失效，烧毁的部分如图4所示。配电控制器是金属外壳，触点在金属密闭腔体里面。图5a是100A/AC 110V三相交流接触器外形示意图。图5b中可以看到，连接AC110V电源的铜板(导线)3/4的长度(包括其连接的触点部分)已经完全被烧蚀，仅剩下不到1/4，余下端头呈现熔融形貌;图5c显示的是接触器内部出现的熔坑;此外，接触器的接触外壳亦出现热熔洞，如图5d所示。这些都表明在接触器失效过程中存在剧烈发热的过程。

图4 配电控制器内部连接实物照片Fig.4 Image of the electrical controller

使用时接触器金属外壳和配电控制器的金属外壳连接到AC 110V的零线上，因此接触器工作过程中外壳不可能由于电流产生热量而熔融，外壳熔洞是飞弧放电而产生的局部高温所致。AC 110V输入的铜板导线烧蚀，仅剩下1/4的长度，是电极之间飞弧放电，导致金属电极逐步熔融消蚀的结果。

追查配电控制器的装配历史，发现接触器在装配铜板导线的时候，曾经发生过损坏接触器密封的情况:装配时对螺母施力过大而引起金属与陶瓷之间松脱(图6中箭头所示)，从而导致了外部潮湿空气进入接触器内部腔体，降低了接触器触点之间气体的绝缘能力，导致触点脱离时诱发了气体电离，继而在AC 110V电源的持续供电下发生飞弧现象，产生局部高温，使外壳熔融，进而导致元件失效。

图5 100A/AC 110V三相交流接触器Fig.5 Images of 100A/AC 110V three-phase contactor

图6 接触器密封连接脱离Fig.6 Detachment of the sealing connection in contactor

1.4 小结

结合以上分析结果，可以发现案例中电子元器件出现的局部损坏，明显不同于过电流而过热所引起的熔融，具有大范围碳化、局部点高温熔融形态及金属高温烧蚀形态等特征。

产生气体电离的主要原因有:1)使电极间的电场分布改变，如电极间的异物，介质材料及其表面的影响;2)使电极间气体的绝缘能力下降，如潮湿空气、尘埃、有机气体及其他物质在空间的存在和附着。在正常工作电压下，这2个方面的因素导致电极间有效击穿电压下降［9］，气体电离而失去绝缘能力，最终导致飞弧放电现象，使元器件局部损坏并由此引起失效。

2 提高可靠性的途径

针对上述空气电离导致飞弧放电现象引发的失效问题，存在多种提高可靠性途径。首先要确定某失效现象具有飞弧放电失效特征，可根据引起气体电离而飞弧放电的原因和特点在产品设计、制造、使用的不同阶段采取措施，减小产生飞弧放电的可能:

1)在产品设计阶段，必须高度重视系统、装备、电子产品的电极之间的相关设计问题，如电极之间的安全距离，电极结构中尖端会引起放电问题，电极之间介质表面的爬电问题，电极之间异常电压的释放问题，以及电极采取保护材料防护问题。设计中既要考虑电源电极之间短路后的切断措施，如自动开关、熔断保险丝，又要考虑到电子电路自身的检测控制等。

2)在产品制造阶段，制造工艺中保证设计的有效实施，检查用于大电压电极的形状，确保电极不存在尖端放电的潜在缺陷;控制工艺中不引入引起电极之间承受电压能力下降的潜在因素，如电极之间PCB表面或电极之间其他介质表面的离子污染、多余物残留等;控制介质加工工艺引入的机械损伤，控制装配工艺引起的介电距离减小等。

3)在产品使用阶段，需特别注意环境水汽、有害气体以及尘埃颗粒的监控，因为这些是系统、装备、电子元器件电极之间飞弧放电的直接诱因。对应用于极端环境的系统、装备、电子元器件，应在设计中就加强高电压电极之间的防护;并对环境的控制给出必要的指导，如尘埃过滤措施，潮湿控制措施，有害气体侵入防护等，尽量消除气体电离引起飞弧现象的潜在危险，提高系统、装备及电子元器件的可靠性。

3 结论

1)查找分析失效原因是提高电子产品使用可靠性的关键，应从其设计、工艺及使用等方面综合考虑。

2)由空气电离导致飞弧放电失效案例的典型现象有金属熔融、消蚀，产生此类失效的原因是潮湿空气，有机物附着等引起的电极间电场分布改变。

3)提高电子产品可靠性途径有:加强电极短路后的检测与控制，避免离子污染制造过程中多余物残留;使用中严格监控环境中湿度、尘埃及其他有害气体。

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