一种晶体罩电磁继电器失效机理探讨

王龙辉，惠小玲，马瑞敏，任 浩，常 宁

(陕西群力电工有限责任公司，陕西宝鸡，721300)

1 引言

随着现代科学技术日新月异的发展，电子产品在各行各业的应用越来越广泛。电磁继电器作为电子信息技术的基础元器件之一，使用数量势必越来越大，可靠性要求也越来越高。众所周知，电磁继电器的可靠性隐患形成于产品设计、生产工艺以及电接触等必然物理过程之中；提高其可靠性最基础的工作在于不断认识各类失效问题的具体形式及内在机理，从而不断改进产品设计、生产工艺，实施可靠的筛选措施等等。

2 早期失效与随机失效

在正常使用条件下，该产品早期失效与随机失效主要表现为以下几个方面。

2.1 铁屑卡死驱动机构

由于铁心、衔铁激励时均有磁性，不激励时亦有剩磁存在，因此残存于机构之中的铁屑就有机会被吸入铁心与衔铁之间，并附着在铁心极靴或铁心之上。有的针状小铁屑在激励过程中被极化(磁化)，从而直立于铁心与衔铁之间，造成继电器处于完全不工作或间歇工作状态。

而铁屑的主要产生原因，是由点焊工艺残渣与飞溅微粒；铆装时产生的铁屑；装配调整过程中磁性零件的毛刺或损落物等。

鉴于铁屑偏小，极化(磁化)后附着能力强，故不容易清除。试验表明，吸尘器或强负压装置产生的负压气流对铁屑、细小纤维或其他粉尘污物的清除效果良好，且对继电器本身结构和性能不致产生不利影响。

2.2 清洗过程污染失效

电磁继电器机构整体清洗后从清洗溶剂中取出时，簧片上粘附的清洗溶剂在表面张力作用下富集于触点部位。当清洗溶剂挥发后，其中少量残留污物(原清洗溶剂中带来的或在空气中吸附的尘埃)正好干涸附着在触点周围。在触点工作过程中，这种附粘污物在负载作用下部分烧蚀，或形成电阻值相当高的覆盖层，以致造成接触不良或完全绝缘。

这种失效主要取决于清洗液的洁净与操作环境的清洁。在改善操作环境的同时，应采取的措施是：

1)将衔铁转换至贴靠铁心部位，进而漂洗静合触点并将继电器提出清洗液，待被吹干后再让衔铁复位，以便减少清洗液对接触点的富集效应。

2)将接触系统与电磁系统分别增加一次单独刷洗，以减轻钎焊时形成的硅盐微粒，醋酸与银锌焊料的黑色反应物及电磁系统上面的污物对机构整体清洗液的污染。3)将机构整体清洗工艺改为两次刷洗后再用洁净清洗液漂洗一次。

2.3 有机污染失效

该继电器的线圈由塑料骨架、漆包线及聚四氟乙烯薄膜包扎带组合而成。在密封罩内的“小气候”条件下，线圈在通电自热过程中自然形成了释放有机挥发物污染源，触点等零部件表面都成了有机污染的对象，出现触点接触不良或断路失效现象。

在继电器密封之前，应采用无水乙醇浸渍线圈2小时，吹干后再100℃下真空焙烘4小时的予排有机挥发物工艺效果更好。

2.4 物理粘结失效

继电器的动合触点曾出现严重粘结不释放现象，用测力计测粘结触点的力，最大者竟达到35g。这种动合粘结多为时隐时现，因此它也成为产品在正常使用条件下失效的一种隐患。

根据试验分析表明，触点表面镀金，其接触部位金分子互相挤压渗透所形成的分子力是导致触点粘结的内在因素，触点之间的滑动摩擦是加速分子挤压渗透积聚粘结力的必要条件。粘结力的大小取决于触点材料的刚性与导致分子挤压渗透的物理条件，动合触点是否粘结不放，主要取决于粘结力是否大于动簧片的复原反力。

为了既确保触点粘结力小于动簧片的复原反力，又保留金分子所固有的稳定性能对触点的保护作用，采用严格控制镀金层厚度以减小粘结力的方法，较为成功地控制了触点粘结失效的危害。

由于0.1A×6.3Vac负载的弱弧特性，对触点污染严重者击而不穿，对污染轻微者烧而不毁，可较充分地暴露工艺污染产品及粘结不放产品。因此，在改善工艺环境，针对上列事项采取相应措施的同时，于半成品机械老练过程中采用0.1A×6.3Vac负载来监控装配工序质量及时区分剔除动合、静合污染失效及粘结产品；在成品出厂检验前先用同上负载筛选剔除早期失效及接触电阻不稳定产品，可达到监控指导工艺全过程，大大降低出厂产品早期失效率与随机失效率的目的。

3 老化失效

继电器在长期工作过程中的自然老化过程，其主要表现为活动部件机械损伤、零件腐蚀、材料老化、弹性失效与电接触点老化失效。在通常情况下，电触点本身失效比例远远大于其它形式的失效比例，电触点的寿命极限也远远短于其它各零部件的寿命极限。认真分析电接触过程的物理机制，采取相应措施是提高产品寿命和可靠性，降低失效率的关键。

3.1 小负荷老化失效

小负载老化失效主要表现为异层电阻开路与动合触点物理粘结。在该负载条件下，触点反复开断时的空间静电效应易于富集内部悬浮污物，对生产工艺污染膜、小气象有机污染膜等击而不穿，烧而不毁，从而形成随机性异层电阻绝缘开路。

3.2 金属转移失效

在2A×28Vd.c.负载条件下，继电器老化失效机制主要表现为金属转移-负极失去金属分子而凹陷，以致穿洞，正极得到金属分子而形成尖峰或锅底型突起。

经过反复试验表明，触点间隙对金属转移的具有一定影响：

1)当触点间隙<0.15mm时，动合触点间金属转移较快，正极形成尖峰型突起，较快填补触点间隙。其失效方式是，开始时转换触点出现断续连通故障，最后因熔接而永久性连通失效，寿命<105次。

2)当触点间隙约为0.17-0.23mm时，正极触点一般呈锅底型突起，负极呈凹锅型下陷。金属转移相对较慢。大约3×105次寿命后，正极突起高度约为0.15-0.20mm，负极形成穿洞现象。此后，正极不再抬高，金属转移在侧向进行。触点寿命随着失效率的急剧上升而很快终结。

3)当触点间隙>0.27mm时，静合触点组金属转移加速，并伴随着大面积互熔性烧伤，静合开路失效比例明显增大。对非密封触点，情况更为恶劣，触点组为燃弧形成的碳膜所覆盖，静合组触点会出现熔焊现象。一般来说，金属转移对电触点的影响是：

①迅速减少触点开断间隙，导致断弧能力下降，加速触点的寿命老化。

②尖峰形突起改变触点的接触状态，变原来的球面对平面接触状态为尖峰对深凹锅或凸起侧缘对穿洞内壁接触状态。接触过程伴随着活动的尖端放电过程。接触电阻随燃弧污染针尖接触而随机增大，导致随机开路失效。

③当动簧片接负极，双面凹锅使接点部位横断面尺寸减小到一定尺度时，动簧片将出现局部形变，导致永久失效。

初步分析认为，在2A×48Vd.c.负载条件下，形成金属转移的物理机制是：由于接触点局部电流升温与燃弧温升的共同作用，触点接合局部产生熔融。在燃弧的瞬间，电离的气体离子猛烈的轰击负极熔融部位，驱使负极表面积聚负电荷且处于熔融状态的分子集团在定向电场中克服表面张力作用而溅向同时处于熔融状态的正极部位，从而形成“锅形负极剥离，峰形正极堆积”，这一直流定向溅射物理过程。对直流功率负载，金属转移是电接触的一种客观物理过程。在不更改原设计触点材料的前提下，作为生产单位，控制金属转移的危害相对办法是，严格控制触点的开断间隙，保证必要的动合接触的超行程。

3.3 电腐蚀与电磨损

在交流负载条件下，继电器的老化失效主要表现为电腐蚀和电磨损效应。在0.5A×220Va.c.负载，105次寿命试验后，其表现是：电接触点双方呈对称性光洁浅凹锅型磨损。对全密封触点，触点本身十分洁净，接触电阻很小，电接点四周零部件上粘附着放射状黑色溅射物及溅落的触点材料微粒。对非密封电触点，触点本身及四周均覆盖着燃弧过程中形成的碳黑溅射物，绝缘子及推杆玻璃球上均有清晰可见的触点材料溅落微粒，接触电阻明显偏大。

电腐蚀与电磨损导致的继电器失效方式详述如下：

1)触点材料溅落微粒使邻近的绝缘子耐压降低，以致抗电失效。

2)电接触点损伤，熔接失效。

3)燃弧残物导致开路失效。

对密封电触点，方式(1)是失效的主因；对非密封或密封不好的产品，方式(3)是失效的主因；方式(2)往往与超负荷有关。

交流负载与直流负载的差别在于触点间燃弧极性与电场方向交变，触点双方处于正或负的概率相等，燃弧所导致的触点表面金属溅射使双方都成为剥离对象，周围零部件则成为溅射的污染对象。电磨损与金属转移的物理本质是同一的。

电腐蚀和电磨损是交流负载条件下的自然物理过程，设计上采用密封电触点，增大触点的可断间隙，增大绝缘部件或增大绝缘部件与触点间的相对距离，对提高交流负载能力，降低失效率是有益的。

4 总结

对已定型的产品而言，早期失效与随机失效主要源于生产工艺。因此，加强生产工艺研究，提高生产工人的文化素质，加强质量意识及责任心，不断改进并强化质量管理，对降低早期失效率与随机失效率是行之有效的。同时针对继电器的不同负载，积极开展提高产品可靠性研究活动，延长产品的寿命极限，满足用户需求。