电磁继电器绝缘下降的失效分析与控制

王智彬，孟 猛

(中国空间技术研究院电子元器件可靠性中心，北京，100094)

电磁继电器绝缘下降的失效分析与控制

王智彬，孟 猛

(中国空间技术研究院电子元器件可靠性中心，北京，100094)

文章通过对某电磁继电器不同引脚以及引脚与管壳之间绝缘下降进行失效分析，采用显微镜外部目检、扫描电镜检查和能谱分析等分析方法与手段，揭示了银离子迁移是导致该继电器绝缘下降的失效原因。阐述了银离子迁移的发生机理，从生产和使用两个方面提出了避免银离子迁移在继电器中发生的控制措施。

电磁继电器;绝缘下降;银离子迁移;失效分析

1 引言

电磁继电器作为电信号传输切换的重要机电元件，在航天设备中得到了广泛应用［1，2］。由于继电器一般作为电路的枢纽，其工作可靠性对整个系统乃至型号设备的成功有着重要意义。作为继电器的一种常见失效模式，绝缘下降的形成原因各异。本文对某电磁继电器绝缘下降故障进行失效分析，揭示了其失效原因，并从生产和使用两方面提出了相关注意事项，以避免同类失效的发生。

2 失效案例分析

某型号地面设备开机检查状态时发现异常，经排查发现板上某继电器部分引脚之间以及引脚与外壳之间绝缘阻抗降低，正常应大于500MΩ。

使用万用表测试送检继电器不同引脚之间以及引脚与外壳之间的阻抗，结果显示多个引脚之间以及引脚与外壳之间的阻抗低于指标要求的500MΩ，测得的实际阻抗数值从百兆欧姆级到百欧姆级不等。

使用体视显微镜对送检继电器进行外观检查，如图1所示。继电器引线套有透明热缩套管，表面涂有三防漆。

图1 送检继电器底板外观形貌

检查未发现继电器存在凹坑、变形等异常，检查热缩套管未发现热缩套管破损等异常。将继电器引脚剪短，检查继电器的玻璃绝缘子，发现多个引脚根部玻璃绝缘子表面存在附着物，如图2所示。

图2 玻璃绝缘子表面附着物

在扫描电子显微镜下观察发现该附着物呈絮状微观形貌，并连接引脚与继电器底板，如图3所示。

能谱分析显示，絮状附着物区域含有Ag、Si，且继电器的底板与引脚均镀银，如图4所示。分析认为，该絮状物的成分为银，能谱分析结果中的Si来自于玻璃绝缘子。

图4 引脚玻璃绝缘子上附着物成分分析

采用无水乙醇清洗的方法将玻璃绝缘子表面的银絮状物去除，测试失效引脚之间以及失效引脚与外壳之间的绝缘性能，满足指标要求，故障消失。

至此，造成该继电器多个引脚以及引脚与外壳之间绝缘下降的原因已被找到－－银絮状物跨接引脚与底板，而造成这一现象发生的原因就是银离子迁移。由于继电器外壳镀银是常用工艺，因而近年来由于银离子迁移导致继电器绝缘下降的失效案例时有发生。除继电器外，近年来在光敏晶体管等其他元器件中也出现了由于银离子迁移而导致失效的案例［3］。因此，有必要分析银离子迁移的发生机理，进而给出避免其发生的相关注意事项。

3 机理分析

为了更好的预防银离子迁移导致元器件失效的发生，需要对银离子迁移发生的机理有所了解。金属离子迁移是一种因电化学作用而发生的电极金属离子化并溶出运动的反应，仅发生于少数金属，如银、铅、铜、锡、金。其中，银的迁移率最高［4］，在一个相对较短的时间内银离子迁移生成的银枝晶长度就能够导致电子元器件的绝缘部位搭接失效，而银又广泛用于各类元器件的镀层及粘结料中，因此由于银离子迁移而导致的绝缘失效问题频见于各类元器件中。

具体剖析银离子迁移的过程，主要包括阳极溶解、离子运动和阴极沉积三个步骤［5］，如图5所示。

图5 银离子迁移过程示意图

1)阳极溶解:在阳极上发生的反应主要是银的阳极溶解，反应式为:

(2)离子运动:在电场力的驱动下，阳极溶解产生的Ag+向阴极运动，在运动过程中部分与水离解产生的OH－复合反应生成性质不稳定的AgOH，随后分解为黑色沉淀物Ag2O，反应式为:

(3)阴极沉积:阳极溶解生成的Ag+在电场力和浓度梯度的共同作用下向阴极迁移，到达阴极后发生电化学还原沉积反应生成金属银，反应式为:

随着银离子在阴极电化学还原沉积反应的进行，银枝晶从阴极向阳极逐渐迁移生长，直至最终搭接阴阳两极，形成短路。如前所述，银具有很高的迁移率，这是因为它不能形成稳定和钝化的氧化膜。银和银离子发生氧化还原作用的自由能低，这促使其阳极溶解和阴极还原反应的发生，从而导致很高程度的迁移率［4］。

至此，结合银离子迁移发生的机理，我们得出发生银离子迁移的必要条件是水和电场的存在，而一些沾污元素则可能通过加剧银离子的水解产生而对银离子迁移起到加速作用。具体到镀银外壳电磁继电器而言，其电镀前由于清洗不干净容易在引脚根部残留部分腐蚀性介质，而其在电装等后续使用过程中也可能会沾附含有S、Cl等腐蚀性元素的介质(例如助焊剂等)。当在湿度较大的环境中使用继电器时其外壳吸附潮气，为银离子迁移的发生提供了必需的水环境，而腐蚀性介质的存在能够帮助银镀层更快的离解出更多的银离子;当继电器加电工作时，引脚与壳体之间由于存在电位差而形成电场，在电场力的作用下银离子逐步产生迁移，并沉积形成银枝晶。当银枝晶通过绝缘子跨接引脚与壳体之间时，则引起绝缘电阻下降［1］。

4 建议

结合上述镀银外壳继电器银离子迁移导致绝缘下降的失效案例以及银离子迁移的发生机理分析，我们从生产和使用方面对继电器银离子迁移现象提出一些预防和控制手段:

1)在继电器的生产制造过程中，在进行银电镀工艺前，应充分清洗，确保干净，避免残留腐蚀性介质。

2)在要求高可靠性的应用中，尽量不要选用镀银外壳继电器，如必须选用该类型继电器，应避免在湿度较大的环境中使用，并且在使用过程中注意保持清洁，避免器件受到污染。

［1］ 孙静，胡会能，王全，胡斌.航天用电磁继电器的常见失效模式及机理分析，全国第三届航空航天失效分析会议论文集，2000年10月，中国昆明.

［2］ 邓杰，韦远健，叶雪荣，梁慧敏，翟国富.以批生产一致性为目标的航天继电器关键部件的确定及优化，《机电元件》，2011，3:27.

［3］ 薄鹏，张伟，孟猛.光敏晶体管漏电流变大的失效分析与控制，《电子产品可靠性与环境试验》，2013，31(4): 11.

［4］ 嵇永康，胡培荣，卫中领.银镀层中银离子的迁移现象(一)，《电镀与涂饰》，2008，27(8):18

［5］ 朱晓云，刘元龙，龙晋明.银包铜粉抗银迁移的研究，中国电子学会敏感技术分会电压敏学部第十七届学术年会论文专刊，2010年10月，中国苏州.

The Analysis and Control on the Insulation Failure of Electromagnetic Relay

WANG Zhi－bin，MENG Meng
(Electronic Components Reliability Centre，China Academy of Space Technology，Beijing，100094)

The failure analysis is done on the case of electromagnetic relay insulation failure located on pin to pin and pin to encapsulation.By the external visual check using microscope、electronic scanning microscope check and energy spectrum analysis，the cause of insulation failure is confirmed to be silver ions migration.The mechanism of silver ions migration is clarified，and the control measures of avoiding the silver ions migration in the relays are proposed from the aspects of production and application.

electromagnetic relay，insulation failure，silver ions migration，failure analysis

10.3969/j.issn.1000－6133.2015.03.011

TN784

A

1000－6133(2015)03－0042－03

2015－05－13

综述与简介