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电信设备保险管失效分析

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摘要:本文在分析介绍保险管结构及工作原理基础上,结合我司研发、生产和工程实践积累,总结了保险管在通信设备中使用所常见的失效澳门威尼斯网上娱乐及失效机理。在此基础上,按照失效分析的基本准则,通过具体案例分析研究,阐述了保险管的固有质量、设计选型和制造应用等在产品中的重要性,对改进产品设计和提高产品可靠性具有重要意义。

关键词:保险管;失效分析;固有质量;设计选型;制造应用

1引言

保险管是一种安装在主电路中,保证电路系统安全运行的过电流保护元件。由于其在电路中具有独特的电气和物理特性优势,如在回路中正常工作时接近理想线路或导线,熔断后接近理想关断,可快速熔断或延迟熔断,结构种类多样且标准化等,所以随着电路系统安全等级的不断提升和细化,其将在各个应用领域中继续扮演着重要的角色。本文针对电信设备用保险管进行失效分析研究,总结其在设计、生产和应用中所存在的各种质量问题,提出改进措施,有助于促进保险管的可靠生产和使用。

2保险管结构及工作机理

保险管根据安规认证、输入源、响应时间、分断能力等有不同的类型划分,但不管是哪种类型保险管,其结构一般由端帽、熔体、焊锡和支架等四个主要部分组成。如图1所示,一是端帽,一般有两个,是熔体同外部电路间链接的重要部件,它必须有良好的导电性,通常为镀金、银或锡等的铜合金材料;二是熔体,为中间导体部分,是保险管的核心,起到电流的导通和切断作用,一般为镀银、锡等的铜合金材料,或其他多元合金材料;三是支架,用于将端帽、熔体固定,并使三个部分成为刚性的整体,它须有良好的机械强度、绝缘性、耐热性和阻燃性等,确保在使用中不产生变形断裂、短路、熔化及燃烧等现象,通常为陶瓷、玻纤或玻璃等材料;四是焊锡,用于将端帽和熔体进行可靠电气焊接,同时起到保险管整体的加固作用,其焊接质量直接影响到保险管的电气性能。除此外,电力电路及大功率设备所使用的保险管,通常在其支架内部还填充有高绝缘和导热良好的灭弧装置,如石英砂,以确保出现熔体熔断后电路得到有效切断,且无拉弧、漏电、起火或炸裂现象。当电路发生故障或异常时,随着电流的升高,保险管熔体温度也在不断升高,在异常电流升高到一定程度和持续一定时间后,熔体上产生的热量超过熔体的热熔值且无法及时散开,此时熔体开始熔融并最终切断电路,从而起到保护电路安全运行的作用。

3保险管失效澳门威尼斯网上娱乐及失效机理

保险管失效分析是指采用一定的方法手段,找到保险管为什么失效的过程。通常而言,其失效分析从信息收集开始,到报告输出和结果追踪验证结束,为了使分析结果准确,分析遵循的基本原则为:先外后内、先一般后特殊、先无损后有损、先物理后化学等[1]。通信设备均大量使用各种型号保险管,根据保护层级不同,有些单板甚至使用好几种不同型号规格保险管,在研发设计、生产制造和工程应用等各阶段遇到过各种各样的故障,表1为近几年保险管失效情况。经综合分析验证,保险管失效不仅跟器件本身设计和制造工艺有关,同时跟研发设计选型、生产制造和外场应用有很大关系。

4失效案例分析

4.1失效案例一

失效背景:某型号定制电源在工程现场使用2-7周陆续出现故障,表现为电源无输出,经排查定位,为保险管开路导致。失效分析:从单板拆解下3只样品进行测试,确认均已开路异常,进一步的外观、端子结合强度和X射线检查(2D)等项目检测未发现有明显异常,初步排除支架破损、端帽松动和过流烧毁等情况,怀疑断点在器件两端内部焊点,典型X射线如图2所示。由于样品内部焊点较大,X射线(2D)未能拍出内部断点的位置形貌,为了在不破坏故障原始信息的情况下观察其形貌,对样品进行CT拍照,结果显示其内部焊点有一端焊接开路,典型如图3所示。根据其失效位置和形貌判断,应为应力或焊接异常导致。为找到失效根因,分别对2只失效品进行灌封切片和机械拆解分析,切片样品分析结果显示熔体没有熔融痕迹,开裂位置熔体端面保持切割时的形貌,且断点周围熔体表面锡镀层缺失,IMC形成不连续,焊点内部无熔体残留,典型如图4所示;开封样品断点处熔体表面镀层也缺失,内部焊点呈凹坑形貌,应发生过轻微打火,但能量并不高,典型如图5所示。能谱分析凹坑及周围表面未发现有熔体合金成分,进一步的切片分析结果同直接切片样品一致,熔体端面保持切割时的原始形貌,说明熔体本身未受到损伤。综合2只样品的分析,发现断裂侧熔体浸入焊锡的深度很浅,而良好侧熔体浸入焊锡深度很深,接触到端帽,初步判定断裂为焊点焊接不可靠导致使用疲劳开裂。将故障样品返还厂家分析,明确失效根因:熔体裁剪设备卡顿异常,该批次熔体出现尺寸偏短情况,不良比例为600ppm左右,不良熔体比良品短1mm左右,导致上部端帽焊接时接触长度不足,焊接强度下降,使用过程疲劳断裂失效。分析结论:由于熔体裁线设备异常,熔体裁剪尺寸偏短,焊接时顶部焊点熔体和焊锡焊接长度不足,导致焊接强度下降,在外场使用时疲劳开裂。图2故障品典型X射线图(2D)改进措施:1)供方对原有裁线设备进行升级改造,确保熔体尺寸100%测量并在发现不良时可实时告警;2)供方每批成品均抽样进行CT和切片检测,确保焊接良好;3)供方对每批成品进行加载高低温循环实验,确保产品可靠性满足使用要求。

4.2失效案例二

失效背景:某智能风扇控制板在整机测试时故障率较高,特别是在上电过程中。经对单板进行分析,发现故障均为保险管开路引起,X射线检查显示其熔体在中间部位烧毁,典型如图6所示。从烧毁形貌和位置看,符合过载烧毁特征。为找到失效根因,进一步排查单板其他器件、供电条件和风扇负载等,均未发现有明显异常,那么可能原因有:一是保险管选型降额不足,正常负载条件下烧毁;二是负载非纯阻性,上电瞬间脉冲电流烧毁。根据原因推测,在测试现场用示波器探头直接监测保险管上电瞬间和稳态电流,第一次上电结果显示上电瞬态脉冲电流峰值pk达85.5A,脉冲维持时间为2ms左右,如图7所示(电流计档位设置为10mV/A,即10mV表示1A);稳态电流在3A左右,未超出保险管5A规格,且满足降额要求,典型如图8所示。从脉冲波形可知,上电瞬间脉冲能量可近似用如下公式计算得出:反查此代码物料规格书,此保险管为快熔型,共有3个品牌拆分,A品牌在<10ms时,标称熔断I2t=5.6,B品牌为5.0,C品牌6.8,而故障保险管正是B品牌,为临界值。分析结论:研发设计选型存在问题,未对不同品牌保险管进行充分验证,由于品牌差异较大,导致系统上电瞬间保险管烧毁。改进措施:1)同代码下不同品牌拆分,热熔要求一致,且要求全部进行验证通过才可以转批量;2)对有风扇、电机或容性负载系统,由于启动瞬间脉冲电流较大,要求使用慢熔型保险管。

4.3失效案例三

失效背景:某电源在工程现场使用2年左右出现大量返还,故障表现为电源无输出,经定位,确认故障为保险管开路导致。进一步反查返修和发货数据记录,发现返还的电源模块均来自某两省份的某些区域,而该模块电源为老产品,同批次物料也已大量使用于不同的项目,使用地域分布范围非常广,其他区域使用并未有相同故障返修记录。失效分析:故障发生在工程现场阶段,且属于非早期失效,根据经验可以排除如设计选型不当,或材料来料批次质量缺陷等问题,推测为应用环境问题,如机房环境温度过热、环境因素导致的保险丝老化、输入电源波动、雷击和负载短路等异常。首先,对返回模块电源进行外观检查,未发现有单板有变形,器件烧毁,三防缺失,或灰尘附着等异常;然后对其进行导通测试,显示开路异常,但在板对保险管进行X射线检查,由于PCB板较厚加上板上背部器件影响,未检测到有明显异常;进一步将器件拆解,导通测试故障依旧,X射线检查发现靠近端子附近有熔体断裂并错位,典型如图9所示,根据经验判断,此位置断裂一般为非熔断。拆开器件端子和支架,发现内部熔体已经整体氧化发黑,且在X射线检查发现异常处出现断裂,断口为自然腐蚀断裂形貌,典型如图10-11所示,进一步的EDS分析显示,器件熔体已经硫化腐蚀,典型结果如图12所示。根据器件失效机理,反查故障发生地的空气质量情况,公开资料显示,此区域均为产煤矿的重工业基地,PM2.5数据一直都很差,尤其是冬天,属空气污染严重地区,由于器件支架为非密封陶瓷结构,如图13所示,大气中腐蚀性含硫气体、湿气和离子等进入其内部,导致其硫化腐蚀。熔体的两端用粘接胶同支架粘接固定,由于粘接胶具有更强的吸附性,其周围熔体腐蚀更快且最先断裂。分析结论:1)保险管研发选型存在问题,保险管同代码下有两种不同支架结构,即密闭和非密闭,且未进行充分的应用可靠性验证,导致非密闭器件外场腐蚀开路失效;2)项目工勘存在问题,未准确完整地提供站点环境信息,导致风险评估覆盖不全,拟定的产品可靠性测试项目无针对性。改进措施:1)使用支架密封器件,如图14所示,尽量选用熔体镀锡或其他耐腐蚀镀层器件,确保同代码下不同拆分物料可靠性等级一致;2)器件和产品增加混合气体腐蚀实验,均通过才可以转产;3)项目工勘需提供当地土壤、大气、水及工业情况等详细信息,以评估外场风险,制定针对性可靠性测试项目。

5结束语

保险管由于其结构原理、承担功能和活性材质等特性,决定了其本身具有一些固有特征,生产和应用中出现失效不可避免,对其进行失效分析,就器件本身而言,提出工艺和可靠性改进措施,可提高保险管的固有质量;就其应用而言,从分析出的失效机理出发,采取切实的改进措施、更严谨的设计验证方法和更完善的管理机制,可提高设备的可靠性,获得更高的经济效益。

参考文献:

[1]陈守金.连接器失效分析方法与应用[J].机电元件,2011,31(5):35-38.

作者:韦祥杨 林金炳 单位:中兴通讯股份有限公司

电信设备保险管失效分析责任编辑:张雨    阅读:人次

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