电磁继电器常见失效模式、失效原因及失效机理分析

航天材料及工艺研究所
5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
过大间距
正常间距
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.3工艺结构不当引起的失效 b.簧片压力不足
该种失效主要出现在常闭触点，在继电器簧片调整过 程中，正常情况下，中簧片与常闭簧片之间应该有一定的 预压力，而预压力是靠人工调整，如预压力很小，则工作 一段时间后，由于触点表面磨损变形，该组触点则会由于 接触压力不足表现为时好时坏甚至完全开路。
白色附 着物聚 集成薄 膜状
颗粒 状白 色附 着物
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.2触点表面沾污引起的失效
无机物沾污的来源与器件封装前工艺环境不良，存在较多尘土有关。 附着的有机沾污是如何形成的呢？有机附着物呈颗粒状或厚度很薄， 且只有触点附近有这些物质存在，簧片上其它位置没有该种物质。从其形 态判断，这些附着物应是在继电器封装后逐步生成，而不是有形的多余物 直接附着所致。其形成机理为：继电器内部存在生胶带及封焊时采用松香 焊剂，在一定温度下由于生胶带本身不稳定而释放一部分有机小分子，在 焊接过程中松香焊料气化也会形成一部分有机小分子，这些小分子存在于 继电器腔体内，在继电器使用过程中，有机小分子向电场强度最大的触点 位置吸附、聚集，聚集的小分子重新交联而在触点表面形成有机物颗粒、 薄膜。由于其本身不导电，引起触点处接触电阻增大甚至完全开路失效。
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.3工艺结构不当引起的失效 c.内部组件安装位置不当
继电器内部由于簧片或推动杆位置安装不当而引起的 失效，主要表现为簧片过长或推动杆形状不良，造成其与 壳体间隙变小，在继电器安装时壳体受到一定外应力产生 变形，导致推动杆或簧片与壳体之间碰接而产生失效。
电磁继电器常见失效模式、失 效原因及失效机理分析
703所 航天检测和失效分析中心 朱军辉
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1.引言
继电器是航天、航空等领域应用非常广泛的电子元 件，它是用较小电流来控制较大电流的一种自动开关。 继电器种类繁多，通常将继电器分为电磁继电器、 干簧继电器、时间继电器及固态继电器等几种。 其中电磁继电器结构简单、工作可靠，是应用最广 泛的一种继电器。
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5.电磁继wk.baidu.com器常见失效原因及失效机理分析
d.簧片断裂
簧片 断裂 位置
簧片 沿晶 断口 及晶 界过 热、 熔融
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.3工艺结构不当引起的失效 e.线圈开路
线圈开路通常是由于线圈引出线或漆包线断裂以及引 出线与引线柱或者与漆包线之间焊点脱开或者虚焊所致。 继电器一般采用与安装轴之间的轻微过盈配合而固定 线圈。由于线圈骨架与固定轴之间存在配合公差，在振动 环境条件下可能引起线圈与固定轴之间产生转动以及轴向 运动，从而在线圈引出线上附加一定的振动应力，振动一 段时间后，导致线圈引出线产生疲劳断裂。
簧片与壳 体接触
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
c.内部组件安装位置不当
推 动 杆 位 置 异 常
推 动 杆 位 置 正 常
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
c.内部组件安装位置不当
簧片间隙过小， 产生拉弧 簧片 位置 安装 不当
与相邻簧 片接触
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8% 7% 7% 10% 1% 21% 电阻、电位器 电容 电感 继电器 接插件 线缆 晶体及晶振 分立器件 集成电路 混合电路 其它项目
18%
18%
3% 3%
4%
3.继电器失效分析统计
到2008年时，继电器在所有失效分析电子元器件中的比例 已经超过单片集成电路（19％） ，居于失效元器件分析比例的 第一位（22％） 。
继电器内部的推动杆均采用手工调整，且继电器内部 通常有多组触点，因此各个推动杆与簧片之间的间隙调整就 显得很重要，在失效分析过程中，经常发现由于各个推动杆 与簧片之间间隙不一致，致使继电器中的某组触点在工作过 程中动作后常开点无法闭合，这主要是由于该组触点推动杆 与簧片间隙较大，在其余各组触点均吸合到位后该组触点无 法到位或接触压力很小而失效。
常开簧片吸合、常闭簧片打开 铁芯失去磁性
弹簧力作用
断： 切断线圈电流
衔铁复位
常开簧片打开、常闭簧片吸合
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3.继电器失效分析统计
由于生产环境、工艺以及继电器本身的结构设计等原因， 导致继电器的失效时有发生。 对2004、2005年完成的1500余项电子元器件失效分析任务 进行分析，发现继电器所占的失效比例相当高（18％） ，仅次 于单片集成电路（21％） ，与分立器件并列排在第二位。 2004、 2005年 各类元 器件失 效分析 比例
5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.1继电器内部多余物引起的失效
多余物 卡在衔 铁与轭 铁之间
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.1继电器内部多余物引起的失效
b.金属多余物将不该导通的两点之间跨接；
机加工金属多余 物将引线柱与壳 体之间搭接
2.7mm
多余 焊料 将簧 片之 间搭 接
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.1继电器内部多余物引起的失效
从失效分析的结果来看，多余物主要分为导电性金属多 余物和不导电的非金属多余物。金属多余物主要有金属屑、 焊锡渣及点焊飞溅物等；非金属多余物则包括松香焊剂、包 扎线圈用的生胶带、导线绝缘皮、纤维及某些无机物等。
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.1继电器内部多余物引起的失效
转轴表 面磨损 轴孔内 壁磨损
磨损形成的 金属粉末
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.2触点表面沾污引起的失效
触点表面存在沾污通常引起电磁继电器触点出现接触电 阻增大甚至开路的失效模式。 接触电阻只有小幅增大的继电器，启封后接触电阻有可 能恢复正常，对继电器内部结构及触点压力进行检查，均无 异常现象；但用扫描电镜观察触点表面时，会发现触点表面 存在附着物，这些附着物主要有两类：一类为无机物，如Si、 Ca、Al等的氧化物；而另一类主要成分为含C、O的有机物。
4%
2008年 各类元 器件失 效分析 比例
12% 4% 2% 2% 4%
17% 1%
19%
22%
13%
阻容感元件 微波器件及组件 单片集成电路 混合集成电路 继电器 晶体元件 光电器件 线缆 电连接器 分立器件 其它
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4.电磁继电器常见失效模式
电磁继电器常见失效模式可以归纳为如下几种：
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
e.线圈开路
线圈与支 架间缝隙 断口全貌
线圈引出线 断裂位置
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
e.线圈开路
线圈与支 架间缝隙 疲劳断口全貌
线圈引出线 断裂位置
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
失效模式 常闭点开路 加电后常开点不吸合 功能失效 失效原因 多余物、沾污及结构缺陷等 多余物、沾污、簧片断裂及间隙调 整不当等
断电后常开点不释放
线圈开路 触点接触电阻增大 参数失效
触点粘连、多余物卡滞、簧片位移 等
焊点虚焊、引出线或漆包线断裂等 触点沾污或烧蚀后接触压力变小、 镀层损坏氧化等
触点或线圈与壳体绝缘 电阻下降
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.1继电器内部多余物引起的失效
内部存在可动多余物而引起的失效是继电器出现最多的 一种失效原因。由于继电器内部有动作部位，且触点间、推 动杆与衔铁间间隙较小，因此极小的多余物即可能引起继电 器失效。且多余物引起的失效有不固定性，可能表现为时好 时坏，甚至可能出现一次故障后很难复现，这主要与多余物 具有可动性有关。从失效分析结果来看，多余物主要分为导 电性金属多余物和不导电的非金属多余物。
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.3工艺结构不当引起的失效 d.簧片断裂
继电器簧片断裂位置通常位于其引线柱焊接的位置附 近。其失效机理是由于簧片与引线柱焊接时温度较高、时 间较长，使焊点附近的簧片产生过烧、晶界弱化，且由于 加电使用过程中，簧片在引线柱焊点附近受到的应力作用 较大，最终导致簧片在焊点附近脆性断裂。
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2.电磁继电器的基本结构及工作原理
电磁继电器主要由线圈、铁芯、衔铁、轭铁、 复位弹簧及两组或多组簧片等组成。
电磁继电器基本结构
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2.电磁继电器的基本结构及工作原理 电磁继电器利用电磁感应原理进行工作。
通: 线圈通电
杠杆作用
线圈中心的铁芯被磁化
磁力
衔铁吸合
推动簧片动作
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5.1继电器内部多余物引起的失效
c.多余物卡在转轴与轴孔之间，使转轴卡滞，无法转动，导致 触点不能正常开闭；
金属 多余 物卡 滞 有 机 纤 维 多 余 物 卡 滞 清洗后 残留在 轴孔内 壁的有 机多余 物使转 轴卡滞
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绝缘子表面沾污、银离子迁移及间 隙过小等
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
结合失效分析的实际案例，从以下几方面对电 磁继电器常见失效原因及失效机理进行介绍： 5.1继电器内部多余物 5.2触点表面沾污 5.3工艺结构不当 5.4触点烧蚀、粘连 5.5银离子迁移 5.6外部应力导致簧片位移
5.3工艺结构不当引起的失效 e.线圈开路
漆包线断裂通常是由于线圈绕制过程中，漆包线受到损 伤或者漆包线在线圈内部存有较大安装应力，在随后的振动、 温循及加电过程中，漆包线多次受到机械应力、热应力的作 用而断裂。
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.3工艺结构不当引起的失效 继电器内部具有动作部分，其腔体体积小，需 要安装的零件较多，由于本身结构及工艺上的缺 陷而引起的失效时有发生，总结起来有如下几个 方面：
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.3工艺结构不当引起的失效 a.推动杆形状调整不当而使触点工作不到位
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
无 机 沾 污
有 机 沾 污
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.2触点表面沾污引起的失效
沾污引起触点开路的继电器，启封后对继电器内部进行 观察，在触点表面会发现较多的白色颗粒状附着物，有时这 些附着物会聚集成薄膜状，对这些附着物进行分析，主要成 分为含C、O的有机物。
5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.1继电器内部多余物引起的失效
d.非金属多余物卡在簧片之间导致常开点或常闭点无法吸合。
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.1继电器内部多余物引起的失效
多余物的来源主要与生产工艺过程控制不严有关，如生 产环境达不到控制要求，存在较多的灰尘及纤维等，点焊后 的毛刺没有很好去除，焊接后未进行很好的清洗等均是引入 多余物的根源。 此外，随着继电器使用环境，特别是振动条件的要求越 来越高，在使用过程中，有些继电器转轴与轴孔之间产生较 严重的磨损，形成较多的金属粉末，使转轴与轴孔之间的摩 擦阻力增大，导致继电器加电后衔铁无法动作、常闭簧片不 吸合失效，有时增大线包电压，失效现象会消失。
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.3工艺结构不当引起的失效 c.内部组件安装位置不当
继电器内部由于转轴与孔口配合不当，会导致转轴从 孔口内脱出或者转轴卡在孔口内，导致继电器衔铁无法动 作失效，这种失效通常发生在孔口为U型槽的继电器。
转轴 卡在U 型槽 内
转轴从U型 槽内脱出
金属多余物
非金属多余物
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5.电磁继电器常见失效原因及失效机理分析
5.1继电器内部多余物引起的失效
多余物引起的失效机理主要有以下几种： a.多余物使推动杆受阻或者卡在衔铁与轭铁之间，使衔铁无法 动作、推动杆动作不到位，导致触点不能正常开闭；
多余物 使推动 杆受阻
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