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摘要:本文在分析介紹保險(xiǎn)管結(jié)構(gòu)及工作原理基礎(chǔ)上，結(jié)合我司研發(fā)、生產(chǎn)和工程實(shí)踐積累，總結(jié)了保險(xiǎn)管在通信設(shè)備中使用所常見(jiàn)的失效模式及失效機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，按照失效分析的基本準(zhǔn)則，通過(guò)具體案例分析研究，闡述了保險(xiǎn)管的固有質(zhì)量、設(shè)計(jì)選型和制造應(yīng)用等在產(chǎn)品中的重要性，對(duì)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和提高產(chǎn)品可靠性具有重要意義。

關(guān)鍵詞:保險(xiǎn)管;失效分析;固有質(zhì)量;設(shè)計(jì)選型;制造應(yīng)用

1引言

保險(xiǎn)管是一種安裝在主電路中，保證電路系統(tǒng)安全運(yùn)行的過(guò)電流保護(hù)元件。由于其在電路中具有獨(dú)特的電氣和物理特性?xún)?yōu)勢(shì)，如在回路中正常工作時(shí)接近理想線(xiàn)路或?qū)Ь€(xiàn)，熔斷后接近理想關(guān)斷，可快速熔斷或延遲熔斷，結(jié)構(gòu)種類(lèi)多樣且標(biāo)準(zhǔn)化等，所以隨著電路系統(tǒng)安全等級(jí)的不斷提升和細(xì)化，其將在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中繼續(xù)扮演著重要的角色。本文針對(duì)電信設(shè)備用保險(xiǎn)管進(jìn)行失效分析研究，總結(jié)其在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用中所存在的各種質(zhì)量問(wèn)題，提出改進(jìn)措施，有助于促進(jìn)保險(xiǎn)管的可靠生產(chǎn)和使用。

2保險(xiǎn)管結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

保險(xiǎn)管根據(jù)安規(guī)認(rèn)證、輸入源、響應(yīng)時(shí)間、分?jǐn)嗄芰Φ扔胁煌念?lèi)型劃分，但不管是哪種類(lèi)型保險(xiǎn)管，其結(jié)構(gòu)一般由端帽、熔體、焊錫和支架等四個(gè)主要部分組成。如圖1所示，一是端帽，一般有兩個(gè)，是熔體同外部電路間鏈接的重要部件，它必須有良好的導(dǎo)電性，通常為鍍金、銀或錫等的銅合金材料;二是熔體，為中間導(dǎo)體部分，是保險(xiǎn)管的核心，起到電流的導(dǎo)通和切斷作用，一般為鍍銀、錫等的銅合金材料，或其他多元合金材料;三是支架，用于將端帽、熔體固定，并使三個(gè)部分成為剛性的整體，它須有良好的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性、耐熱性和阻燃性等，確保在使用中不產(chǎn)生變形斷裂、短路、熔化及燃燒等現(xiàn)象，通常為陶瓷、玻纖或玻璃等材料;四是焊錫，用于將端帽和熔體進(jìn)行可靠電氣焊接，同時(shí)起到保險(xiǎn)管整體的加固作用，其焊接質(zhì)量直接影響到保險(xiǎn)管的電氣性能。除此外，電力電路及大功率設(shè)備所使用的保險(xiǎn)管，通常在其支架內(nèi)部還填充有高絕緣和導(dǎo)熱良好的滅弧裝置，如石英砂，以確保出現(xiàn)熔體熔斷后電路得到有效切斷，且無(wú)拉弧、漏電、起火或炸裂現(xiàn)象。當(dāng)電路發(fā)生故障或異常時(shí)，隨著電流的升高，保險(xiǎn)管熔體溫度也在不斷升高，在異常電流升高到一定程度和持續(xù)一定時(shí)間后，熔體上產(chǎn)生的熱量超過(guò)熔體的熱熔值且無(wú)法及時(shí)散開(kāi)，此時(shí)熔體開(kāi)始熔融并最終切斷電路，從而起到保護(hù)電路安全運(yùn)行的作用。

3保險(xiǎn)管失效模式及失效機(jī)理

保險(xiǎn)管失效分析是指采用一定的方法手段，找到保險(xiǎn)管為什么失效的過(guò)程。通常而言，其失效分析從信息收集開(kāi)始，到報(bào)告輸出和結(jié)果追蹤驗(yàn)證結(jié)束，為了使分析結(jié)果準(zhǔn)確，分析遵循的基本原則為:先外后內(nèi)、先一般后特殊、先無(wú)損后有損、先物理后化學(xué)等［1］。通信設(shè)備均大量使用各種型號(hào)保險(xiǎn)管，根據(jù)保護(hù)層級(jí)不同，有些單板甚至使用好幾種不同型號(hào)規(guī)格保險(xiǎn)管，在研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造和工程應(yīng)用等各階段遇到過(guò)各種各樣的故障，表1為近幾年保險(xiǎn)管失效情況統(tǒng)計(jì)。經(jīng)綜合分析驗(yàn)證，保險(xiǎn)管失效不僅跟器件本身設(shè)計(jì)和制造工藝有關(guān)，同時(shí)跟研發(fā)設(shè)計(jì)選型、生產(chǎn)制造和外場(chǎng)應(yīng)用有很大關(guān)系。

4失效案例分析

4．1失效案例一

失效背景:某型號(hào)定制電源在工程現(xiàn)場(chǎng)使用2－7周陸續(xù)出現(xiàn)故障，表現(xiàn)為電源無(wú)輸出，經(jīng)排查定位，為保險(xiǎn)管開(kāi)路導(dǎo)致。失效分析:從單板拆解下3只樣品進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)均已開(kāi)路異常，進(jìn)一步的外觀、端子結(jié)合強(qiáng)度和X射線(xiàn)檢查(2D)等項(xiàng)目檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)有明顯異常，初步排除支架破損、端帽松動(dòng)和過(guò)流燒毀等情況，懷疑斷點(diǎn)在器件兩端內(nèi)部焊點(diǎn)，典型X射線(xiàn)如圖2所示。由于樣品內(nèi)部焊點(diǎn)較大，X射線(xiàn)(2D)未能拍出內(nèi)部斷點(diǎn)的位置形貌，為了在不破壞故障原始信息的情況下觀察其形貌，對(duì)樣品進(jìn)行CT拍照，結(jié)果顯示其內(nèi)部焊點(diǎn)有一端焊接開(kāi)路，典型如圖3所示。根據(jù)其失效位置和形貌判斷，應(yīng)為應(yīng)力或焊接異常導(dǎo)致。為找到失效根因，分別對(duì)2只失效品進(jìn)行灌封切片和機(jī)械拆解分析，切片樣品分析結(jié)果顯示熔體沒(méi)有熔融痕跡，開(kāi)裂位置熔體端面保持切割時(shí)的形貌，且斷點(diǎn)周?chē)垠w表面錫鍍層缺失，IMC形成不連續(xù)，焊點(diǎn)內(nèi)部無(wú)熔體殘留，典型如圖4所示;開(kāi)封樣品斷點(diǎn)處熔體表面鍍層也缺失，內(nèi)部焊點(diǎn)呈凹坑形貌，應(yīng)發(fā)生過(guò)輕微打火，但能量并不高，典型如圖5所示。能譜分析凹坑及周?chē)砻嫖窗l(fā)現(xiàn)有熔體合金成分，進(jìn)一步的切片分析結(jié)果同直接切片樣品一致，熔體端面保持切割時(shí)的原始形貌，說(shuō)明熔體本身未受到損傷。綜合2只樣品的分析，發(fā)現(xiàn)斷裂側(cè)熔體浸入焊錫的深度很淺，而良好側(cè)熔體浸入焊錫深度很深，接觸到端帽，初步判定斷裂為焊點(diǎn)焊接不可靠導(dǎo)致使用疲勞開(kāi)裂。將故障樣品返還廠家分析，明確失效根因:熔體裁剪設(shè)備卡頓異常，該批次熔體出現(xiàn)尺寸偏短情況，不良比例為600ppm左右，不良熔體比良品短1mm左右，導(dǎo)致上部端帽焊接時(shí)接觸長(zhǎng)度不足，焊接強(qiáng)度下降，使用過(guò)程疲勞斷裂失效。分析結(jié)論:由于熔體裁線(xiàn)設(shè)備異常，熔體裁剪尺寸偏短，焊接時(shí)頂部焊點(diǎn)熔體和焊錫焊接長(zhǎng)度不足，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度下降，在外場(chǎng)使用時(shí)疲勞開(kāi)裂。圖2故障品典型X射線(xiàn)圖(2D)改進(jìn)措施:1)供方對(duì)原有裁線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，確保熔體尺寸100%測(cè)量并在發(fā)現(xiàn)不良時(shí)可實(shí)時(shí)告警;2)供方每批成品均抽樣進(jìn)行CT和切片檢測(cè)，確保焊接良好;3)供方對(duì)每批成品進(jìn)行加載高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)，確保產(chǎn)品可靠性滿(mǎn)足使用要求。

4．2失效案例二

失效背景:某智能風(fēng)扇控制板在整機(jī)測(cè)試時(shí)故障率較高，特別是在上電過(guò)程中。經(jīng)對(duì)單板進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)故障均為保險(xiǎn)管開(kāi)路引起，X射線(xiàn)檢查顯示其熔體在中間部位燒毀，典型如圖6所示。從燒毀形貌和位置看，符合過(guò)載燒毀特征。為找到失效根因，進(jìn)一步排查單板其他器件、供電條件和風(fēng)扇負(fù)載等，均未發(fā)現(xiàn)有明顯異常，那么可能原因有:一是保險(xiǎn)管選型降額不足，正常負(fù)載條件下燒毀;二是負(fù)載非純阻性，上電瞬間脈沖電流燒毀。根據(jù)原因推測(cè)，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)用示波器探頭直接監(jiān)測(cè)保險(xiǎn)管上電瞬間和穩(wěn)態(tài)電流，第一次上電結(jié)果顯示上電瞬態(tài)脈沖電流峰值pk達(dá)85．5A，脈沖維持時(shí)間為2ms左右，如圖7所示(電流計(jì)檔位設(shè)置為10mV/A，即10mV表示1A);穩(wěn)態(tài)電流在3A左右，未超出保險(xiǎn)管5A規(guī)格，且滿(mǎn)足降額要求，典型如圖8所示。從脈沖波形可知，上電瞬間脈沖能量可近似用如下公式計(jì)算得出:反查此代碼物料規(guī)格書(shū)，此保險(xiǎn)管為快熔型，共有3個(gè)品牌拆分，A品牌在＜10ms時(shí)，標(biāo)稱(chēng)熔斷I2t=5．6，B品牌為5．0，C品牌6．8，而故障保險(xiǎn)管正是B品牌，為臨界值。分析結(jié)論:研發(fā)設(shè)計(jì)選型存在問(wèn)題，未對(duì)不同品牌保險(xiǎn)管進(jìn)行充分驗(yàn)證，由于品牌差異較大，導(dǎo)致系統(tǒng)上電瞬間保險(xiǎn)管燒毀。改進(jìn)措施:1)同代碼下不同品牌拆分，熱熔要求一致，且要求全部進(jìn)行驗(yàn)證通過(guò)才可以轉(zhuǎn)批量;2)對(duì)有風(fēng)扇、電機(jī)或容性負(fù)載系統(tǒng)，由于啟動(dòng)瞬間脈沖電流較大，要求使用慢熔型保險(xiǎn)管。

4．3失效案例三

失效背景:某電源在工程現(xiàn)場(chǎng)使用2年左右出現(xiàn)大量返還，故障表現(xiàn)為電源無(wú)輸出，經(jīng)定位，確認(rèn)故障為保險(xiǎn)管開(kāi)路導(dǎo)致。進(jìn)一步反查返修和發(fā)貨數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)返還的電源模塊均來(lái)自某兩省份的某些區(qū)域，而該模塊電源為老產(chǎn)品，同批次物料也已大量使用于不同的項(xiàng)目，使用地域分布范圍非常廣，其他區(qū)域使用并未有相同故障返修記錄。失效分析:故障發(fā)生在工程現(xiàn)場(chǎng)階段，且屬于非早期失效，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以排除如設(shè)計(jì)選型不當(dāng)，或材料來(lái)料批次質(zhì)量缺陷等問(wèn)題，推測(cè)為應(yīng)用環(huán)境問(wèn)題，如機(jī)房環(huán)境溫度過(guò)熱、環(huán)境因素導(dǎo)致的保險(xiǎn)絲老化、輸入電源波動(dòng)、雷擊和負(fù)載短路等異常。首先，對(duì)返回模塊電源進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)有單板有變形，器件燒毀，三防缺失，或灰塵附著等異常;然后對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)通測(cè)試，顯示開(kāi)路異常，但在板對(duì)保險(xiǎn)管進(jìn)行X射線(xiàn)檢查，由于PCB板較厚加上板上背部器件影響，未檢測(cè)到有明顯異常;進(jìn)一步將器件拆解，導(dǎo)通測(cè)試故障依舊，X射線(xiàn)檢查發(fā)現(xiàn)靠近端子附近有熔體斷裂并錯(cuò)位，典型如圖9所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，此位置斷裂一般為非熔斷。拆開(kāi)器件端子和支架，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部熔體已經(jīng)整體氧化發(fā)黑，且在X射線(xiàn)檢查發(fā)現(xiàn)異常處出現(xiàn)斷裂，斷口為自然腐蝕斷裂形貌，典型如圖10－11所示，進(jìn)一步的EDS分析顯示，器件熔體已經(jīng)硫化腐蝕，典型結(jié)果如圖12所示。根據(jù)器件失效機(jī)理，反查故障發(fā)生地的空氣質(zhì)量情況，公開(kāi)資料顯示，此區(qū)域均為產(chǎn)煤礦的重工業(yè)基地，PM2．5數(shù)據(jù)一直都很差，尤其是冬天，屬空氣污染嚴(yán)重地區(qū)，由于器件支架為非密封陶瓷結(jié)構(gòu)，如圖13所示，大氣中腐蝕性含硫氣體、濕氣和離子等進(jìn)入其內(nèi)部，導(dǎo)致其硫化腐蝕。熔體的兩端用粘接膠同支架粘接固定，由于粘接膠具有更強(qiáng)的吸附性，其周?chē)垠w腐蝕更快且最先斷裂。分析結(jié)論:1)保險(xiǎn)管研發(fā)選型存在問(wèn)題，保險(xiǎn)管同代碼下有兩種不同支架結(jié)構(gòu)，即密閉和非密閉，且未進(jìn)行充分的應(yīng)用可靠性驗(yàn)證，導(dǎo)致非密閉器件外場(chǎng)腐蝕開(kāi)路失效;2)項(xiàng)目工勘存在問(wèn)題，未準(zhǔn)確完整地提供站點(diǎn)環(huán)境信息，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估覆蓋不全，擬定的產(chǎn)品可靠性測(cè)試項(xiàng)目無(wú)針對(duì)性。改進(jìn)措施:1)使用支架密封器件，如圖14所示，盡量選用熔體鍍錫或其他耐腐蝕鍍層器件，確保同代碼下不同拆分物料可靠性等級(jí)一致;2)器件和產(chǎn)品增加混合氣體腐蝕實(shí)驗(yàn)，均通過(guò)才可以轉(zhuǎn)產(chǎn);3)項(xiàng)目工勘需提供當(dāng)?shù)赝寥?、大氣、水及工業(yè)情況等詳細(xì)信息，以評(píng)估外場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，制定針對(duì)性可靠性測(cè)試項(xiàng)目。

5結(jié)束語(yǔ)

保險(xiǎn)管由于其結(jié)構(gòu)原理、承擔(dān)功能和活性材質(zhì)等特性，決定了其本身具有一些固有特征，生產(chǎn)和應(yīng)用中出現(xiàn)失效不可避免，對(duì)其進(jìn)行失效分析，就器件本身而言，提出工藝和可靠性改進(jìn)措施，可提高保險(xiǎn)管的固有質(zhì)量;就其應(yīng)用而言，從分析出的失效機(jī)理出發(fā)，采取切實(shí)的改進(jìn)措施、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)驗(yàn)證方法和更完善的管理機(jī)制，可提高設(shè)備的可靠性，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn):

［1］陳守金．連接器失效分析方法與應(yīng)用［J］．機(jī)電元件，2011，31(5):35－38．

作者：韋祥楊 林金炳 單位：中興通訊股份有限公司