Vpliv vlage in nečistoč na kontaktne materiale, vgrajene v hermetično inkapsulirane sestavne dele
Examination of Moisture and Contamination Effects on the Contact Properties of Hermetic Sealed Professional Electronic Parts
L. Koller, Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, 61000 Ljubljana, Slovenija M. Jenko, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 61000 Ljubljana, Slovenija S. Spruk, D. Railič, Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, 61000 Ljubljana, Slovenija
Pri zanesljivosti delovanja elektronskih sestavnih delov imajo poleg drugih dejavnikov pomemben vpliv tudi kontaktne lestnosti. Pri vrsti hermetičnih relejev smo raziskali napake, opažene pri nizkih temperaturah in minimalni vzbujevalni napetosti tuljave. S plinsko kromatografsko analizo smo raziskali atmosfero v notranjosti hermetičnih relejev in proučevali izvore vlage v njej. Zanimal nas je vpliv vlage in raznih nečistoč na zanesljivost delovanja ter povišanje kontaktnih upornosti kontaktnega materiala v elektronskih sestavnih delih. S pomočjo plinske kromatografske analize in elektronske mikroskopije smo pojasnili vzroke odpovedi skupine relejev in povišanje kontaktne upornosti elektronskih sestavnih delov.
Ključne besede: hermetični miniaturni elektromagnetni releji, kontaktni materiali
Contact properties of electronic parts have a great influence on their operating performances. Some defects detected on the series of hermetic sealed relays vvere examined at low temperatures and the minimal applied coil voltages. Gas chromatography was used to analyse the internal athmosphere and to find the humidity sources in it. Our main interest vvas devoted to the influence of moisture and impurities on the operating performances (and possible increase of contact resistance) of relays. Chromatographic and electron microscope analyses enabled to explain the breakdovvn of a series of relays and to discover the reason for substantial increase of the contact resistance.
Key vvords: hermetical miniature electromagnetic relays, contact materials
1 Uvod
Miniaturni elektromehanski releji so nevtralni, polarizirani, monostabilni elektromagnetni elementi za istosmemo vzbujanje. Služijo kot električni razklopni členi in so namenjeni uporabi v najtežjih razmerah delovanja. Glavne lastnosti omenjenih relejev so kovinsko ohišje, hermetična izvedba, velika odpornost na vibracije in udarce, neposredna montaža v tiskana vezja. Družina relejev je namenjena vgradnji v naprave, ki delujejo pod izjemno težkimi mehanskimi obremenitvami in klimatskimi pogoji. Pri tem morajo zanesljivo delovati in ohraniti vse nominalne tehnične karakteristike.
Na zanesljivost delovanja profesionalnih miniaturnih her-
metičnih relejev imajo poleg drugih dejavnikov pomemben vpliv kontaktne lastnosti ', 4, Namen raziskave je bil proučiti obnašanje kontaktov kontaktnih zlitin iz plemenitih kovin5 miniaturnih relejev pri posebnih razmerah delovanja.
V tem sklopu smo obravnavali defekte delovanja relejev6-7 pri nizkih temperaturah in minimalni vzbujevalni napetosti tuljave. Raziskali smo atmosfero v notranjosti okrovov relejev s plinsko kromatografsko analizo in proučevali izvore vlage v atmosferi releja ter vpliv vlage na dolgotrajnost in zanesljivost delovanja. Študirali smo vzdržljivost in vzroke povečanja kontaktne upornosti kontaktov pri nazivni obremenitvi po 105 preklopih. Študirali smo tudi vpliv nečistoč9 na zanesljivost ter povišanje kontaktne upornosti relejev.
2 Eksperimentalni del in diskusija
Pri preskušanju delovanja hermetičnih relejev pri zelo nizkih temperaturah (—55°C) smo ugotovili, da nekateri merjenci odpovedo pri prvem vzbujanju. Vzrok smo iskali v prisotnosti vlage v zaščitni atmosferi notranjosti hermetično zaprtega releja. Za preiskavo smo uporabili plinsko kromatografsko analizo. Izdelali smo posebno preskusno komoro z, mehanizmom za dvojni preboj okrova preskušanega releja. Metoda jc destruktivna. Za analizo plinov v okrovu defektnih relejev smo uporabili plinski kromatograf Perkin Elmer F17 (nosilni plin argon) s kolono Chromosorb 102 s temperaturo 150°C in z detektorjem na ionizacijski presek. Občutljivost za vodo je približno 10 ppm. Umeritev na vodo je bila v področju 100 ppm. Karakteristični kro-matogram plina iz enega od defektnih relejev je prikazan na sliki 1.
Poleg vrha, ki ustreza vodi, je v kromatogramu opazen še vrh COj ali neke organske spojine. Analiza nam je dala slutiti, da jc vzrok za odpoved nekaterih vzorcev prisotnost vlage in organskih nečistoč v atmosferi znotraj okrova releja. Z dodatnimi preiskavami smo ugotovili, da jc pretežni izvor organskih nečistoč izolacija navitja tuljave, za prisotnost vlage pa je kriva premala vakuumska razplin-jenost sestavnih delov pred inkapsulacijo.
Slika 1. Kromatogram atmosfere subminiatumega hermetičnega releja s slabimi karakteristikami, posnet na Chromosorbu 102, temperatura kolone 150°C, dušenje 40 x, nosilni plin Ar, 20 l/min. Figure 1. Chromatographic pattem of the atmosphere inside the subminiature hennetic relay with some bad characteristics. Chromosorb 102 column was used at 150°C, attenuation 40 X, flux of Ar 20 l/min.
Slika 3. SR-1-24V po testu mehanske vzdržljivosti, ovira in kotva
defomiirani, povečava 470 x. Figure 3. SR-1-24V after the mechanic endurance test, stop and amiature are deformed. magnification 470 x .
Študirali smo vzdržljivost kontaktov subminiatumih relejev SR-1 pri nazivni uporovni obremenitvi z enosmerno napetostjo 28 V in tokom 1 A s preklapljanjem delovnih in mirovnih kontaktov. Rezultati kontaktne upornosti pri nazivni moči in 1 x 105 preklopih so bili med 80 mfi in 120 mfi. Pd-Ag kontaktne zlitine imajo odlične mehanske lastnosti z visoko trdoto, so pa električno slabše prevodne in so zato njihove kontaktne upornosti večje. Dva izmed relejev smo testirali še naprej. Vzdržala sta 7 x 105 preklopov. Zanimal nas je vzrok mehanskih odpovedi subminiatumih relejev. Oba vzorca smo odprli. Na kontaktih ni bilo opaznih sprememb, opazili pa smo deformirano oviro in kotvo releja. Odprta vzorca smo slikali z elektronskim mikroskopom (sliki 2 in 3).
Z elektronskim mikroskopom smo analizirali tudi nečistoče na kontaktnih mestih obeh odprtih vzorcev. Kontaktni mesti sta bili močno onesnaženi, kar vidimo na sliki 4 ter pripadajočem spektru (slika 5).
Slika 4. SR-1-24V, onesnaženo kontaktno mesto po 7 x 105 preklopih, povečava 300 x . Figure 4. SR-1-24V, the contaminated contact area after 7 < 103 operations. magnification 300 x.
3 Zaključek
• Nizka kontaktna upornost je posebna zahteva za kvalitetne profesionalne releje. Proučevali smo vzroke povišanja kontaktne upornosti in odpovedi relejev pri ekstremnih pogojih okolja.

mmIMS
Slika 2. SR-1-24V, kontaktni del subminiatumega releja po 7 x 105
preklopih, povečava 60 x. Figure 2. The contact seetion of the subminiature SR-1-24V relay after 7 x 105 operations, magnification 60 x.
i a. <•.:, i;r i..ijf..iJP A	spf <: t h Al., i '>...<> i
V Z.2 SVETLA TIKA T3 LT- 104 S E C S.
Slika 5. Spekter onesnaženega kontaktnega mesta po 7 x 105 preklopih.
Figure S. Spectrum of the contaminated contact area after 7 x 1()5 operations.
•	Pri študiju lastnosti kontaktov v odvisnosti od atmosfere v hermetičnem releju smo s plinsko kromatografijo odkrili vodno paro in organske nečistoče, katerih izvor je slabo razplinjeno in slabo posušeno navitje tuljave pred inkapsulacijo relejev.
•	Pri študiju obrabe kontaktov pri nazivni moči (life test) smo z elektonsko analizo odkrili nečistoče, ki so vplivale na povišano kontaktno upornost. Deformacij na kontaktih nismo opazili.
•	S skrajno čisto kontaktno površino kontaktnih zlitin plemenitih kovin in s polnjenjem notranjosti releja z inertnimi plini (npr. s suhim dušikom ali argonom), bi lahko zagotovili nizke kontaktne upornosti ter povečano zanesljivost profesionalnih hermetičnih relejev.
4 Literatura
1	R. Tavz.es, Raziskave tehnologije subminiaturnih relejev I. del, IEVT. Poročilo RSS, Ljubljana, 1979.
2	M. Antler, M.H. Drozdovvicz and C.A. Haque, Connector Contact Materials: Effect of Environment on Clad Palla-dium, Palladium-Silver Alloys, and Gold Electrodeposits, IEEE Trans. Components, Hybrids, Manuf. Technol.. 4, 482^192 (1981).
3	R. Holm, Electric Contact Handbook, 4lh Ed.. New York, Springer Verlag, 1967.
4	M. Murko-Jezovšek, Raziskave lepljenja čistih kovin v ul-travakuumu, IEVT, Poročilo RSS, Ljubljana, 1970.
5	F.H. Reid, W. Goldie, Gold Plating Technology, Electro-chemical Publications Limited, 1974.
6	R. Tavzes, Raziskave tehnologije subminiaturnih relejev II. del, IEVT, Poročilo RSS, Ljubljana, 1980.
7	A.R. Ruolik, D.L. Ljubinskij, Tehnologija miniaturnih re-lea. Leningrad Energoizdat. Leningrad 1982.
*	G.E. Bainlescu. V.A. Ilie, Stationary Phases in Gas Chro-matography (International Series of Monographs in Ana-lytical Chemistry, Vol. 56). Pergamon Press, 1975.
9 M. Antler, Effect of Surface Contamination on Electric Contact Performances, Circuils and Devices Magazine, 3, 8 (1987).