一种电感式接近开关的失效分析方法

2021-10-09申丽丽李迎昕段文鹏

计算机与数字工程 2021年4期

孙悦申丽丽李迎昕段文鹏

（军用电子元器件北京第三检测中心北京 100015）

1 引言

接近开关又称接近传感器，利用电磁工作原理，通过传感器与物体之间的位置关系变化，可将非电量或电磁量转化为所希望的电信号，从而实现控制或测量的目的。相比传统微动开关触点易老化、机械寿命低以及环境适应能力差，接近开关具有非接触检测、寿命长、可靠性高、环境适应能力强等优点，因而被广泛应用于制造业、汽车、飞机、物流、化工、冶金、轻纺等多行业中的非接触领域［1～3］。

按照工作原理的不同，接近开关可以分为电感式、电容式、光电式等。在接近开关选用上，通常，检测金属材料首选电感式，检测非金属材料时首选电容式［4～5］。

根据不同的安装形式，电感式接近开关可分为圆柱式和法兰式。其中，圆柱式接近开关的电路板外由金属螺纹状壳体包裹。出于电路板安全防护等考虑，会在金属壳体内部灌封环氧树脂［6］。由于内部灌封环氧树脂，在对这类接近开关进行失效分析时，对这类接近开关进行有效开封是一项必要工作。通过开封暴露内部电路板、磁罐等结构，是进一步检测、排查及定位失效的关键。

2 电感式接近开关失效分析

2.1 电感式接近开关工作原理

电感式接近开关是一种有开关量输出的位置传感器，其内部主要由振荡、检波、放大、整形部分以及开关输出等部分组成，其原理框图如图1所示。

图1 电感式接近开关原理框图

振荡电路的线圈产生高频交流磁场，该磁场经由传感器的感应面释放出来。当有金属物体接近这个能产生电磁场的振荡感应端时，会使该金属物体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，影响了振荡回路的电感参数，使接近开关振荡能力衰减以至停振。振荡与停振，这两种状态经检测电路转换成开关信号输出［6～8］。

2.2 失效分析流程

根据集成电路失效分析基本流程［9～11］，整体分析工作按照由无损到破坏性、由外部到内部的原则开展。以下以某型圆柱电感式接近开关为例，结合工程实际，对该类接近开关的失效分析过程、分析方法进行介绍。

2.2.1 失效背景及分析流程

某圆柱电感式接近开关在工程应用过程中失效，产品在常温下输出正常，当温度升高至40℃以上时，输出异常（无激励信号时，灯常亮）。失效前，该接近开关累积工作6个月。

首先对失效接近开关外观检查、X射线检查，记录器件外部细节及内部结构信息。然后进行电测试、40℃环境温度下电测试，进行失效状态复现。进一步采用合适的手段对产品进行开封及内部检查、内部测试，失效位置定位。最后，根据检查结果结合产品经历分析其失效原因，给定失效结论。

2.2.2 外观检查

对失效件进行外观检查，检查圆柱式接近开关接线、外壳完整性，是否存在裂纹等异常。失效件外观检查未见异常，见图2。

图2 失效件外观照片

2.2.3 比对测试

对失效件及正常件进行比对测试，测试情况见表1。将接近开关至于高于40℃的高温箱内，去除激励后，仍有输出，表明功能失效。随后，将失效件在常温下保持约5min后，再次测试，功能恢复正常。

表1 比对测试

2.2.4 X射线检查

采用X射线检测系统对失效件进行内部结构检查，失效件磁罐完整，电路内部接线良好，未见显著异常。X射线检查照片见图3。

图3 失效件X射线检查照片

对电路板正面及背面放大观察，电路板上器件焊接良好，外观未见异常。将磁罐外部红色保护套轻轻剥离，磁罐底部可见裂纹存在。磁罐底部裂纹见图5。去除环氧树脂后照片见图6。比对件内部照片见图7。

图5 失效件磁罐底部裂纹

图6 失效件去除环氧树脂后内部照片

图7 比对件内部照片

图4 失效件去除金属壳体后照片

为定位失效位置，根据电路原理图框图，分别选取振荡电路信号、检波电路信号、输出电路驱动信号的输入、输入端，对失效件进行内部电路测试［12～15］，并与正常件进行测试结果比对。接近开关内部测试结果见表2。

由表2接近开关内部比对测试情况可见，失效件内部振荡电路、检波电路、输出电路驱动电路等电路结构与正常件均接近，接近开关电路板结构部分未见显著异常。

表2 接近开关内部电路测试结果

2.2.5 失效原因分析

失效接近开关在40℃以上温度时，发生激励撤离后仍然有输出、灯常亮的故障现象，当去除外部金属壳体、灌封胶（环氧树脂）及磁罐保护套后，失效件在50℃时激励撤离后无输出，功能恢复。对磁罐进行检查，可见磁罐底部有裂纹。分析由于磁罐存在裂纹，在温度升高时密封胶体积改变，致使裂纹发生变化，引起磁通量变化，改变了振荡器的工作状态，导致接近开关功能失效。

该型接近开关有4只同样失效现象的失效件，为进一步分析失效原因，采用同样等方法对另一只失效接近开关（失效件2）进行了测试与开封检查。对失效件2在开封前后分别进行了测试，测试结果见表4。

表4 失效件2测试结果

进一步去除失效件2的金属壳体、灌封材料以及磁罐保护套，以检查其磁罐及内部电路状态。开封后，内部电路板未见异常。在去除磁罐外部保护套时，部分磁罐体随保护套脱落，未脱落磁罐体上存在多处不规则裂纹，见图8～图9。温度升高（50℃）时，失效件2在激励去除后仍有输出且灯常亮。与之前分析的失效件的失效原因一致。据此，分析磁罐存在裂纹时导致以上两接近开关失效的直接原因。