电信设备保险管失效分析范文

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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模式及失效机理。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保险管失效模式及失效机理

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统计。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