物理电磁论文核物理论文

23 ·环境技术2010 年八月 文摘：海洋环境中某设备使用近一年后，GJQX-6MC 型电磁继电器出现触点短路。通过失效分析，指出该电磁继电器触点短路是由于 存在封装工艺缺陷，焊料锡封密封性较差，导致电磁继电器在潮湿的空气、海水、电应力及机械应力作用下，使动簧片在使用过程 中产生了应力腐蚀断裂，断裂后动簧片活动导致触点瞬间短路。同时，为了排除批次性问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，对此设备所用 GJQX-6MC 型电磁继电器 抽取 5只进行了 DPA 破坏性物理分析，对出现的故障原因进行了综合分析，提出了预防措施及建议。 Abstract：After one year use of certain equipment in the ocean environment, a GJQX-6MC electromagnetic relay appeared short circuit on contact，Failure analysis shows that due to the packaging crafts defects，the combination force of damp air，sea water，electric stress and mechanical stress caused stress caused stress corrosion split to the movable read in use. After that，the move of the movable read eventually cause the short circuit. In order to except the batch problem, 5 samples were chosen for DPA(destructiveness physics analysis) ,the failure reason was analysed and preventative measure and suggestions were put forwarded. 关键词：GJQX-6MC 型电磁继电器；失效分析；机理研究；预防措施及建议 Key words：GJQX-6MC electromagnetic relay；failure analysis；mechanism research；measures and suggestions GJQX-6MC型电磁继电器失效分析及机理研究 Fa i lu re Ana lys is and Mechan ism Research fo r GJQX-6MC E lec t romagnet i c Re lay 文 | 航天科工防御技术研究试验中心 王 瑶 1. 引言 电磁继电器广泛应用于人造卫星、宇宙飞船、航天飞机及 其配套地面测控设备，用来完成信号传递、执行控制和系统配 电等功能，是电子系统中主要机电产品之一（如电源的转换、 设备的开机以及设备的保护、报警、指示等）。随着电子化、 信息化、自动化程度提高，电磁电磁继电器的作用愈加重要， 使用量日趋增大，使用范围不断扩展。 由于电磁继电器的重要作用，往往一只电磁继电器失效， 就将造成上百万至上亿元的系统失效，从近年来的不完全数据 统计结果可以看出，在产品质量故障中，电子元器件、机电产 品类质量问题高居首位。电磁继电器的质量故障率最多，而且 已成为控制继电系统的重大质量问题之一，尤其应用在重要部 位的电磁继电器，其工作质量的好坏，直接关系到系统工程的 成败，不仅会造成重大的经济损失，甚至危及人身安全。 本文采用失效分析、DPA 破坏性物理分析等试验手段对海 洋环境某设备使用近一年后的 GJQX-6MC 型电磁继电器出现触点 短路进行了失效分析。针对电磁继电器出现的失效原因，选用、 使用过程中存在问题，进行了归纳、总结，并提出了预防措施 及改进建议。 nvironmental Adaptability &ReliabilityE 环境适应性和可靠性 Environmental Technology· 24August 2010 2. GJQX-6MC 型电磁继电器结构及工作原理 GJQX-6MC 型电磁继电器由接触部分、电磁部分和罩壳三部 分组成（图 1）。接触部分设计为双气隙桥式结构，电磁部分 结构采用旋转式结构，工作原理是线圈激励后，再由铁芯、极靴、 线圈、衔铁、气隙组成的磁路产生磁通，形成磁场，产生电磁吸力。 当线圈电流达到一定值（即吸合值）时，电磁吸力克服反力， 使衔铁部分以轴为中心发生旋转，带动焊接在衔铁上的推杆部 分推动动簧片，使动合触点接通。当线圈电流减小到一定值（释 放值）时，衔铁部分在反力作用下回到初始位置，使动合触点 分离，实现触点状态的转换，达到切换外接电路的目的。 GJQX-6MC 型电磁继电器属功率型电磁继电器，采用传统的 焊料密封工艺，产品密封性能可满足 1Pa·cm3/s，在一定时期 保证产品的内部气氛的稳定性，但该密封工艺采用金属锡为密 封材料，由于锡的结构相对疏松，采用此工艺密封的电磁继电器， 其密封性指标相对较低。 3. 试验分析和讨论 试验分析分为下列两个阶段： （1）对 GJQX-6MC 型电磁继电器触点短路故障件进行失效 分析 （2）对 GJQX-6MC 型电磁继电器其它 5只产品进行 DPA 破 坏性物理分析 3.1 GJQX-6MC 型电磁继电器触点短路故障件失效分析 GJQX-6MC 型电磁继电器出现触点短路故障，封装形式为焊 料锡封。通过常温电气参数测试、粒子碰撞噪声检测（PIND）、 密封（细检、粗检）、外观检查、启封与内部宏观观察、扫描 电镜及能谱等测试手段对电磁继电器进行了失效分析。 3.1.1 常温电气参数测试见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 从表 1可以看出：电磁继电器动作电压、吸合接触电阻及 线圈电阻符合要求，但释放电压偏小不符合正常品的释放电压 项目 （合格值） 线圈电阻（Ω）54±10% 25℃ 动作、释放电压（Vd.c.） 吸合接触电阻 （mΩ）≤ 50动作电压正常值≤ 8.0 释放电压正常值≥ 0.96 测量值 52.2 7.9 0.34 24.3 测试仪表 线圈电阻分选仪 (XDF-2S) DJ-1 电磁继电器测试仪 低阻表（DZ-7） 表 1 测试环境条件：温度 23℃ 相对湿度 75％ 图 1 JQX-6MC 型电磁继电器内部结构图 磁路部分 接触部分 衔铁部分 推杆部分 ≥ 0.96 的要求。触点短路失效现象未复现。 3.1.2 粒子碰撞噪声检测（PIND） 用粒子碰撞噪声检测系统对失效电磁继电器进行粒子 碰撞噪声检测，发现电磁继电器存在除背景噪声之外的噪声信 号。 3.1.3 密封（细检、粗检） 用真空检漏压力设备对失效电磁继电器进行密封（细检、 粗检）检查，结果为漏率超标不合格。 3.1.4 外观检查： 用体式显微镜观察故障件，外观形貌可看见其批次为 19J 05.05( 图 2)。另外，外部玻璃绝缘子存在裂痕、引脚存在明显 的倾斜 ( 图 3)，这可能与电磁继电器拆卸时外应力所致有关。 3.1.5 启封与内部宏观观察： 用机械方法启封电磁继电器，发现动簧片应固定绕在两个 止挡钉处，但在两个拐角处均发生了断裂 (图 4)，并产生声音。 置于体视显微镜下观察：壳体焊料锡封部位内表面 ( 图 5)、止 挡钉及其他部位存在不同程度的锈蚀 ( 图 6)；动簧片一端局部 存在烧蚀痕迹 (图 7)，可能与其断裂后活动导致瞬间短路有关。 nvironmental Adaptability &ReliabilityE 环境适应性和可靠性 25 ·环境技术2010 年八月 3.1.6 电磁继电器动簧片断口形貌观察及成份分析 扫描电镜是观察材料微观形貌的有效手段。通过对材料断 口表面形貌的观察，再结合 X 射线能谱仪对材料表面的元素分 析，通常可以迅速判断其断裂模式，更有效地分析其断裂的失 效原因。 用扫描电镜分别观察电磁继电器动簧片断裂两处形貌，在 图 2 电磁继电器外部形貌 图 3外部绝缘子周围裂纹形貌 图 4动簧片断裂形貌 图 5 壳体焊料锡封部位内表面腐蚀形貌 图 6 内部止挡钉及其他部位腐蚀形貌 裂纹 断裂 1处 断裂 2处 nvironmental Adaptability &ReliabilityE 环境适应性和可靠性 Environmental Technology· 26August 2010 图 7 内部动簧片局部存在烧蚀痕迹形貌 烧蚀区域 图 8 动簧片断裂 1处腐蚀坑、腐蚀沉积物及沿晶裂纹形貌 腐蚀坑腐蚀沉积物 图 9 动簧片断裂 2处腐蚀坑、腐蚀沉积物及沿晶裂纹形貌 腐蚀坑 腐蚀沉积物 沿晶裂纹 两处断口周边均存在大量的腐蚀沉积物、腐蚀坑和微裂纹，裂 纹在这些部位起始和扩展，直至动簧片断裂。断口形貌属于典 型的应力腐蚀形貌 -沿晶断裂特征（图 8、图 9）。 为了进一步研究电磁继电器的失效机理，用 X 射线能谱仪 对两处断口表面的腐蚀沉积物的元素成份进行了观察和分析， 结果显示：在两处断口周边均存在大量含Cl的白色沉积腐蚀物， 主要成分为 Cl、Al、Ca 等元素，含少量 Ag、Ni、Mg 基材元素。 白色沉积腐蚀物形貌及能谱分析结果，如图 10 所示。 3.1.7 结论和改进措施 通过失效分析的方法对该电磁继电器失效机理的研究，我 们得出以下两点重要结论： （1）由于封装工艺为焊料锡封，密封性较差，导致该电 磁继电器长期在潮湿的空气、海水、电应力及机械应力作用下， 使动簧片使用过程中在两个止挡钉拐角应力集中部位发生了应 力腐蚀断裂，其运动时产生瞬间短路，从而产品失效。 （2）该批次为 19J 05.05 电磁继电器在 2009 年已属于超 期服役。 建议： 1）对同批次产品进行更换； 2）更换的产品采用激光熔封，使用前进行密封检测。 3.2 GJQX-6MC 型电磁继电器其它产品电性能参数测试、 DPA 破坏性物理分析 为了排除密封性缺陷是否为批次性问题，进一步对海上同 批次、同型号产品 1只电磁继电器进行电性能参数测试，其余 4只电磁继电器进行了 DPA 破坏性物理分析。 nvironmental Adaptability &ReliabilityE 环境适应性和可靠性 27 ·环境技术2010 年八月 O-K Mg-K Al-K S-K Cl-K Sc-K Fe-K Ni-K Zn-K Ag-L In-L Base(10)_pt1 0.00 5.76 6.19 5.79 26.28 4.72 3.23 0.13 1.54 0.18 46.19 图 10 电磁继电器动簧片断口存在腐蚀沉积物点扫描成分分析结果 图 11 动簧片断裂 图 12 焊点背面有溅射痕迹 3.2.1 产品失效情况 3.2.1.1 常温电气参数测试 选取 1# 样品进行常温电气参数测试，结果为：样品动作 电压和释放电压值不符合器件手册规定值要求，测试数据见表2。 3.2.1.2 DPA 破坏性物理分析 对 4只 GJQX-6MC 继电器进行外部目检、X射线检查、粒子 碰撞噪声检测（PIND）、密封（细检、粗检）和内部检查，除 2#、3# 未通过 DPA 破坏性物理分析内部目检，其余未见异常。 产品失效情况见表 3。 3.2.2 产品失效情况原因分析 1# 产品失效原因分析 拆罩分析 在不影响样品内部结构的情况下，对 1# 样品进行了拆罩 分析。拆罩后检查样品内部结构无明显异常，测试样品电气、 机械参数，参数 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 见表 4。 从参数 记录表 体温记录表下载消防控制室值班记录表下载体温记录表 下载幼儿园关于防溺水的家访记录表绝缘阻值测试记录表下载 中可以看出，样品动作电压和释放电压值仍 然不合格，机械参数中，触点超行程小于设计文件规定值。 样品拆罩后，用 5倍放大镜检查触点表面发现有磨损现象 （触点的磨损包括电磨损和机械磨损），但磨损量不大。样品 的超行程已减小至 0.03mm 和 0.05mm，与正常磨损量不相符。 因此样品出现动作电压变大、释放电压变小的原因是由于机械 参数中触点超行程变化造成的。 2#产品失效原因分析 在贮存和使用一段时间后，在温度与环境作用下，产生气 体交换，外部腐蚀性气氛进入电磁继电器内部，即对电磁继电 器内部动簧片造成腐蚀，在使用过程中，线圈加电和断电的过程， 动簧片以焊接处为固定点做往复的机械运动。如此循环，簧片 不断受交变应力和电应力作用，动簧片的根部为应力集中部位， 在时间和交变引力的作用下，首先在此部位产生裂纹，裂纹不 断扩大，产生断裂导致失效。 3#产品失效原因分析 线圈支架点焊焊点背面有明显溅射痕迹，溅射粘污动簧片。 出现溅射痕迹是由于焊接中电极使用时间过长，表面磨损粗糙 后，会在焊接时发生打火现象，打火产生的电弧和金属飞溅物 nvironmental Adaptability &ReliabilityE 环境适应性和可靠性 Environmental Technology· 28August 2010 表 2 表 4 表 3 产品失效情况表 1# 失效样品分析常温电气参数 测试环境条件：温度 23℃ 相对湿度 75％ 1# 失效样品拆罩后常温电气参数 测试环境条件：温度 26℃ 相对湿度 60％ 项目 线圈电阻（Ω） 54±10% 25℃ 动作、释放电压（Vd.c.） 介质耐电压（Vr. m.s.） 750（1min 检测） 绝缘电阻（MΩ） ≥ 1000 测试电压 500Vd.c. 接触电阻 （mΩ） ≤ 50 动作电压正常值 ≤ 8.0 释放电压正常值 ≥ 0.96 测量值 51.9 9.8 0.4 合格 合格 24 测试仪表 线圈电阻分仪(XDF-2S) DJ-1 电磁继电器测试仪 高压击穿器 （GY-2） 兆欧表 （MΩ-1） 低阻表 （DZ-7） 项目 编号 失效项目 失效情况 试验结果 2# 内部检查 动簧片断裂 不合格 (图 11） 3# 内部检查 线圈支架点焊焊点背面有明显溅射痕迹，溅射粘污动簧片 不合格 (图 12) 项目 动作、释放电压（Vd.c.） 接触电阻≤ 50 （mΩ） 静合压力 (mN)（50 ～ 100） 反压（N）≥ 0.50 触点超行程（mm）0.07～0.12 动作电压 ≤ 8.0 释放电压 ≥ 0.96 Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ 测量值 9.8 0.4 24 52 53 0.54 0.50 0.03 0.05 就污染焊接工件，并影响下次焊接和焊接质量。 通过对GJQX-6MC型电磁继电器其它产品进行电性能测试、 DPA 破坏性物理分析、失效分析，可以判定密封性缺陷为非批 次性问题。 4. 结束语 针对GJQX-6MC 型电磁继电器出现的上述失效现象、模式， 以及近年来破坏性物理分析（DPA）及失效分析工作的实践，建 议电磁继电器使用单位、生产单位采取以下措施加以改进： a) 电磁继电器所用金属材料应是耐腐蚀型的，或经过电镀 或加工处理达到耐腐蚀要求的。同时，气密式密封电磁继电器 内外部件不得镀锌、锡或非熔化纯锡。建议使用激光熔封技术； b) 在出厂前应对电磁继电器做密封（细检、粗检）试验， 对密封性能进行检查； c) 加强对簧片电焊工艺的质量控制，主要是焊头的压力和 温度等控制，避免形成焊接裂纹； d) 选用导电性和氧化性好的表面材料，提高触点的硬度和 耐磨程度； e) 多余物是在生产过程中引入的，而封装前清洗又不彻底。 杜绝多余物的根本措施应在封装前加强清洗和镜检工艺。另外， 在出厂前应对电磁继电器做 PIND 试验，进一步对多余物进行检 1. GJB4027A-2006　军用电子元器件破环性物理分析方法 2. QJ1906A-97 半导体器件破坏性物理分析 (DPA) 方法和程序 王瑶，女，北京，高级工程师，主要研究方向：材料失效分析、机 电及电子元器件失效分析。联系地址：北京 142 信箱 23 分箱四室。邮 政编码：100854。联系电话：010-68762970/68389842。电子邮箱： wangyaoyy_ok@126.com 参考文献 作者简介 nvironmental Adaptability &ReliabilityE 环境适应性和可靠性 查； f) 电磁继电器触点压力调整工艺问题应引起生产单位重 视，今后应避免推动杆动作不到位现象再次发生； g) 电磁继电器污染现象也是一个严重的问题，它能引起触 电开路或接触电阻增大以及绝缘电阻下降等失效模式，在生产 各环节中应加强质量控制和检验。