继电器银迁移失效模式分析探讨

黄华才，韩征权

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

继电器是一种控制元器件，负责信号传递、系统配电、电路转换控制，广泛应用在航空、航天、船舶等领域。产品的质量可靠与否，直接决定武器系统的成败。

近年来，继电器使用环境越来越苛刻。不同的环境使用，对继电器的性能影响存在差异，海洋环境对产品的影响比较大。长期暴露在恶劣环境下，产品易腐蚀、起泡、剥落等，引起电器短路、活动元器件卡死、电磁机构腐蚀、表层损坏、绝缘材料性能降低等，从而导致电特性失效，失去作用。故产品出厂前需经受各种试验测试，湿热试验是其中一项重要的手段。本文以某继电器绝缘电阻失效为研究对象，分析其失效原因，提出改进措施。

2 绝缘电阻不合格原因分析

2.1 不合格现象

公司某继电器产品的基座组合镀覆采用的材料是：基板、接线脚为Ep.Ag7，正常条件下，某继电器接线脚与基板间绝缘电阻要求≥100MΩ，高温高湿环境下：≥5MΩ，测试电压100VDC。在装机通电使用中发现该继电器接线脚与外壳间绝缘电阻只有几十欧姆、甚至为零的短路现象，该绝缘电阻不符合使用要求。将该产品拆卸用肉眼仔细观察，发现继电器接线脚的玻璃绝缘子边缘有散状多余物存在，进一步借助扫描电镜观察，发现其内部玻璃绝缘子表面有散状的白色多余物。

2.2 不合格问题原因分析

镀银工艺被广泛用于电子工业、通讯配置和仪器仪表制造业中，镀银具有很高的导电性、焊接性能和对有机酸和碱的化学稳定性。因此，镀银工艺使用在继电器零件电镀中。从库房找到上述不合格的同批次产品，进行外观检查，未发现白色多余物，然后进行电性能测试，产品合格。为进一步查找原因，查阅继电器相应的技术规范，按该产品详细规范要求(接线脚和基板间未规定加极化电压)进行稳态湿热96h试验、高温、低温储存、温冲、温循试验，经过30天的相关试验，继电器玻璃绝缘子表面未出现散状的白色多余物附着，经检测，各项性能指标均满足技术标准规定，故障原因未复现。

根据多年的试验经验分析，并结合白色多余物检测，发现白色多余物含有银离子，这与零件镀层有关，同时发现该继电器长时间在通电的海洋环境下使用，故需进行新的试验。

2.3 不合格复现试验

根据上述分析，除了按照继电器标准规定的稳态湿热试验外，还需按GJB360B-2009方法106规定进行了交变耐湿试验，循环为10次；试验期间，在接线脚与基板之间，加上100Vd.c的极化电压，试验循环图按照图1所示。

图1 湿热试验循环图

方法为：

步骤1 试验箱内的温度应在2.5h内从(25±2)℃升至(65±2)℃，在此期间，相对湿度为90%～100%。

步骤2 在温度为(65±2)℃及相对湿度为90%～100%条件下保持3h。

步骤3 然后，试验箱温度应在2.5h降至25+10 -2℃，相对湿度为80%～100%。

步骤4 从第8h开始，试验箱温度应在2.5h内从25℃升至(65±2)℃，在此期间，相对湿度为90%～100%。

步骤5 在温度为(65±2)℃及相对湿度为90%～100%条件下保持3h。

步骤6 然后，试验箱的温度应在2.5h内降至(25±2)℃，相对湿度为80%～100%。

步骤7 在温度为(25±2)℃，相对湿度为90%～100%条件下持续至第24h循环结束。

在交变耐湿试验期间，每隔24h箱内进行一次绝缘电阻测试并记录，试验进行到第5天时，既第5次循环时，发现绝缘电阻急速下降，甚至短路。不合格故障复现。

此时，样品从试验箱内取出，先用肉眼检查外观，发现接线脚的玻璃绝缘子有模糊散状的白色多余物存在，并用扫描电镜观察，发现其内部玻璃绝缘子表面已有散状的白色多余物(如图2 所示)。

图2 白色多余物状态图

2.4 白色物质检测

为进一步确认白色物质的成分，使用能谱仪对白色物质进行检查分析，如图3 和表1所示，发现白色物质中银元素含量较高，达到87.87%，因此可以确定该白色物质为银，来源于零件镀层。

图3 白色多余物状态图

表1 白色物质成分

发生银离子迁移的机理如下：

(1)金属银因银电极间的电位差以及表面从周围环境存在的水而发生电离。

Ag→Ag++H2O→H++OH-

(2)Ag+和OH-在阳极端生成AgOH析出。

Ag++OH-→AgOH

(3)AgOH分解，在阳极端形成Ag2O，并成胶体状分散。

2AgOH⟺Ag2O+H2O

(4)生成的Ag2O与H2O反应，形成的Ag+向阴极移动、析出，形成树枝状。

Ag2O+H2O⟺2AgOH⟺2Ag++2OH-

影响银离子迁移的因素有电场、温度、湿度、不纯物、基材等。该继电器产品的基板、接线脚采用银镀层，同时又在海洋环境下长时间通电使用，这些为银迁移提供了必要的条件。

综上分析，认为银迁移发生的原因是：在潮湿环境中通电使用，经高温、高湿环境的交替加速作用，水分子渗入含银导体表面电解形成的银离子，在电场作用下迁移并形成絮状或枝蔓状扩展，最终造成无电气连接的导体之间旁路，导致绝缘电阻下降乃至短路。

3 改进措施及验证情况

根据上述分析，为彻底消除银离子迁移产生的根源，该继电器产品设计由原来的镀覆：基板、接线脚：Ep.Ag7，改为现在的镀覆：基板：CHP，接线脚：Ep.CHP，由锡焊密封改为激光熔焊密封，使继电器基座组合零件的基板和接线脚均无银镀层，改进前的绝缘电阻：正常条件绝缘电阻：≥100MΩ，测试电压100VDC；高温高湿环境下：≥5MΩ，测试电压100VDC；改进后的绝缘电阻：正常条件绝缘电阻：≥2000MΩ，测试电压500VDC；高温高湿环境下：≥50MΩ，测试电压500VDC，其余技术指标不变。为验证措施有效性，随机抽取了30只产品，正常条件下绝缘电阻测试均达到了105MΩ以上，在接线脚与基板之间，加上100Vd.c的极化电压，进行了60天湿热试验，在交变湿热状态下箱内对产品的绝缘电阻每隔24h进行测试，其接线脚与外壳绝缘电阻均能达到104MΩ以上，均满足技术标准规定。

根据验证结果，将湿热试验规定完善到技术规范中，经过几年的装机使用，均无银迁移导致的绝缘电阻不合格的反馈。

4 结束语

通过某继电器绝缘电阻不合格问题原因分析、试验复现，经过探索采用耐湿试验发现银迁移失效模式，为后续的产品设计改进和质量提升提供了参考。