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高压直流继电器那些事儿 高压直流继电器内部保护气氛控制技术

时间:2020-10-9 10:48:47   作者:网友投稿   来源:fashengqi.lexiangww.com   阅读:18752   评论:0
内容摘要:高压直流继电器那些事儿高压直流继电器内部保护气氛控制技术1“硬要(应朋友的要求)”再谈直流高压发生器上一篇我们更多的是讨论继电器内部水汽含量的来源、危害及分析,对其它的气体谈的较少,朋友说了,控制气氛不能只谈水汽啊,那其它的组份呢?整整一个星期,经过认真的思考,决定今天再次聊聊其它的气体。通过近几年新能源电动汽车、光伏...

高压直流继电器那些事儿 高压直流继电器内部保护气氛控制技术

1 “硬要(应朋友的要求)”再谈直流高压发生器


上一篇我们更多的是讨论继电器内部水汽含量的来源、危害及分析,对其它的气体谈的较少,朋友说了,控制气氛不能只谈水汽啊,那其它的组份呢?整整一个星期,经过认真的思考,决定今天再次聊聊其它的气体。

通过近几年新能源电动汽车、光伏发电等高压直流领域的飞速发展, 对高压直流继电器的性能、寿命和可靠性要求越来越高,(有部分指标甚至是过度提高!,客户的要求就是我们进步的动力。)由于国内无序的资本疯狂投资在这个高压直流继电器行业来,导致由2008年以前买一只要用万元来做计价单位,到现在区区不过200-300元的惨淡情景,由以前用在阿帕奇直升飞机上的新贵族,到现在用在马路上跑的电动汽车上的下里巴人,国内的同质化厂家如雨后春笋般冒出来,同质化、无差异化的仿生儿纷纷来抢占国内的市场,原来一只难求的市场宠儿,到现在各个厂家带着挑剔的眼光挑三拣四,这场景仿佛一个腰包鼓鼓的大爷进入怡红院一般,让从事这个行业的自命清高的技术男情何以堪,任何技术当面对市场的冷酷无情的审视之时,还还能保持那脆弱的节操?

国军标GJB4027《军用电子元器件破坏性物理分析方法》,规定了内部水汽含量为密封元器件的检验项目之一, 其检验对象包括电磁继电器、单片集成电路混合集成电路、分立半导体器件、光电藕合器和声表面波器件。该项检验的合格判据是封装内部水汽含量≤5000ppm。基于这一点,上篇文章我们着重探讨了对于气密密封性继电器,其内部气氛状况中的水汽含量对继电器的性能和可靠性有重要影响。电动汽车行业用高压直流继电器虽然不适用GJB,但是对于内部气氛控制这条要求及分析技术,仍然适用,毕竟,他是确定、分析、改进和提高继电器产品质量的有效的手段。这点,咱们国家从开始研究密封产品到1998年引进全国第一台气氛分析仪,国内才开始定量的开展工作。作为从事军用产品的生产商,由于GJB的强制要求,会对器件内部的气氛进行定量分析,但是,对于做民用产品的行业来说呢?乐观的估计之后,可以说,国内几乎没有哪家做新能源电动汽车用高压直流继电器的对产品内部的气氛进行定量分析,甚至,定性分析的也没有,再甚至,可能都不知道还要对内部气氛进行分析这一说。这是谁之殇?内部气氛分析,能帮助我们追追踪有害气氛的来源,摸清封装工艺缺陷或封装环境不良。进行针对性的技术改造,降低密封继电器内部有害气氛含量,有效提高元器件可靠性质量水平。

内部残余气氛的状况对继电器的性能、寿命和可靠性影响很大,往往容易造成元器件的性能低劣和早期失效。继电器在工作过程中,因发热或电弧作用,会释放水汽和残余气氛来.水汽在低温低电平作用下,触点表面容易结霜,使触点接触不良而失效,有机气氛则在电弧作用下,会在触点表面聚合沉淀形成导电性极差的固态有机膜,从而造成产品失效。再次从继电器内部气氛的组成、国内行业普遍存在的问题和气氛控制技术几大方面, 对继电器内部气氛控制方法进行论述, 寻求行之有效的方法, 提高继电器产品的可靠性。

2 常见的气氛

继电器内部常见的水汽、氧气、氦气和其他气氛的来源及关系如下:

水汽:任何密封元器件内部都含有水汽。主要有三个来源:(1)空气中的水汽,由于密封时环境含有空气或密封产品本身密封性降低封装后空气进入。(2)封装后排放的水汽在物理参数如时间温度和压力作用下发生的化学反应产生水汽。(3)保护气体中的水汽。这部分水汽含量可能较少。

氮气:通常纯氮气用做保护气体进行封装。含量应在99%以上。有时也用干燥空气或氮气/ 氦气混合作为封装气体, 氮气含量在78%以上。

氧气: 空气中的氧气含量大约在20%,但氧气是一种易反应的气体, 在封装高温条件下, 常常与陶瓷或玻璃上的碳产生水汽和二氧化碳。可能使金属表面氧化所以金属与金属封装禁止有氧气。

氩气:在纯氮气封装的器件内部氩气含量应该在500ppMV以下, 在干燥空气中氩气的含量大约9340PPMV. 氩气与氧气的比例关系可作为判别一个样品是否漏气的条件。

二氧化碳:通常二氧化碳是封装后材料排出或生成的气体。它可能是在温度应力作用下样品内部材料中碳氢化合物氧化的产物二氧化碳的含量从100ppMV到几个百分点。高含量二氧化碳和水汽会对暴露的金属化产生腐蚀。

氢气:通常氢气是低气压或封装后电镀层金属表面排除的气氛。氢气含量大于10%表示密封腔体内部压强较低。如果腔体较大氢气含量可能达到几个百分点。氢气在水汽环境中时非常活跃会生产更多混合气氛,特别对砷稼化物微波金属器件,氢气更需严格控制。

氦气:一般氦气用作检漏气体,有氦气存在并伴随氟碳化合物、高含量的水汽、氧气、氩气表示样品漏气现象。(当然,这对于采用预充技术的技术方案不适用)

其它残余气氛:残余气氛通常是有机材料、残余溶剂、残余清洗剂等挥发出来。由于处理工艺的不足释放如甲醇、乙醇、丙酮、甲苯等。

3 内部气氛对器件的危害

内部残余气氛的状况对器件的性能、寿命和可靠性影响很大往往造成器件的性能低劣或早期失效。主要表现在以下方面:(1)加速对电路的腐蚀作用;(2)造成内部环境的恶劣污染;(3)形成电路的短路或烧毁;(4)电路失去应有的功能作用;(5)低温下的电路转换失效;(6)影响电路的正常转换。

4 现状分析

目前国内密封高压直流继电器水汽含量存在几个问题, 主要表现在以下四个方面:

4. 1 水汽含量问题严重。再次重点提水汽这个问题,也是大多数厂家都会遇到的的普遍性问题,大部分产品内部水汽含量都达不到国军标要求。在器件内部水汽的含量反映出产品在封装设备、封装材料、封装工艺、封装工艺控制水平存在不少问题,需要进行技术改造。

4 .2 内部自由腔体的保护气体问题。根据对测试样品的封装环境的调查,有三种充气方式:氮气、氢气、氮气90%一氢气10%混合(这个混合比例千奇百怪,有的厂家的那个比例的配比的设定让你无法理解),其中以充氮气占大多数且氮气源的纯度在99.99%。测试结果表明器件内部氮气纯度在99%以上不到10%(这到底为什么?你或许会问,我们买的可是高价的高纯氮啊!)。

4 .3 封装外壳的密封性问题:在水汽含量测试之前对测试样品进行密封检漏,检漏结果发现有一部分样品密封不合格,导致器件内部气氛是以空气成分存在。

4 4 其他残余气氛问题:内部气氛含有多种有机化合物。主要的化合物有甲醇、氟利昂、氟碳化合物等14 种物质。这类化合物气氛将严重影响器件的可靠性。


(悄悄的问你,你知道诺模图是干什么的?)

5 原因分析

继电器内部的气氛受到封装设备、封装温度、压力等各种工艺因素以及封装工艺控制等方面的影响, 这些因素的合理使用将有效控制内部水汽及各种有害气氛的含量。问题主要有以下五点。

5.1 封装设备简陋:一部分有勇气的厂家甚至把用在热水瓶、白炽灯泡上的抽真空工艺设备移植到高压直流继电器上来,这确实让人长见识,非常的有创造性。这类设备由于封装环境不密封,导致空气直接进入封装腔内,使器件内部的气氛发生根本的变化,水汽和氧气的含量明显增大,水汽含量在20000ppmv以上,氧气的含量在10%以上。

5 .2 封装环境不纯净:封装环境的纯净度95%生产厂家都采用充氮气作为保护气体,所以氮气的纯度将是一个重要的因素。一方面是氮气本身纯度不能达到99.99%另一方面是封装环境不纯净。由于不连续生产,封装环境没有保持在充氮气条件下,在器件密封前要充氮排气,排气时间在4小时以上才能将封装环境中的空气成分排干净, 器件内部水汽才能达到较满意的结果。

5.3 热应力的氧化反应:由于封装环境的限制和封装工艺的缺陷,部分密封器件内部气氛都含有部分的氧气、氩气及有机化合物的成分。

在热应力的作用下,部分氧气会与氢气或有机化合物发生氧化反应产生水汽和二氧化碳。

5.4 封装前样品烘烤不充分:样品在封装前进行烘烤是很有必要。但烘烤时间的长短各生产厂家所选择的时间不一样。样品烘烤不充分, 将无法完全排除封装外壳及芯片等材料所吸附的水汽及其他气氛,残存在样品内部,当样品遇到外在温度高于烘烤温度或存放时间长,封装材料内的水汽及其他气体将释放于腔体内。

.5 5 清洁物残留和粘合剂挥发:由于清洁物及粘合剂都由化合物组成,对芯片及引线产生腐蚀等危害,能与氧气、氢气发生化合反应。这些化合物在高水汽含量的环境中能产生酸性气体,严重威胁器件内部芯片的可靠性。

6 控制措施

根据成功的经验总结以下几种有效地控制技术途径:

a 改造封装设备;b提高封装环境的纯度;c改进封装前材料烘烤时间;d调整烘烤温度;e改进封焊工艺;f改进清洗剂和清洗工艺。六种控制方法中,第一、二种是硬技术,比较容易完成。后四种方法是软技术, 需要经过多次的探索拭验,才能找到最佳方案,产生效果。

6.1 改造封装设备:多数老厂家的封装设备都存在简陋破损等问题,造成密封腔体内混杂大量空气中的水汽氧气。有条件的厂家可通过购置新设备,完成改造或在原有设备基础上进行改造。

6.2 提高封装环境的纯度:主要通过抽真空次数和延长充氮气时间完成清除封装环境内的残余气氛。

6.3 改进封装前材料烘烤时间:密封器件的内部气氛问题上,最常见的是外壳材料、芯片材料、焊接材料的烘烤工艺问题。它的目的是排出隐藏在各种处理内的残余气氛, 烘烤时间在8小时以上有较明显的效果。

6.4 烘烤温度:调整烘烤温度是为把包括水汽和其他残余气氛排出干净,水汽通常在125℃就能排出,其他气氛可能需要更高的温度才能完成。

6.5 改进封装工艺:改进封装工艺,增加元器件的密封性能,减少外部气氛的渗透,保护内部气氛的稳定性。

6.6 改进清洗剂和清洗工艺:清洗工艺是必不可少的一个环节,清洗剂和清洗工艺处理,直接体现在是否残留有机化合物或芯片沾污。改进清洗工艺是很重要的工作。

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