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摘要:本文在分析介紹保險管結構及工作原理基礎上，結合我司研發、生產和工程實踐積累，總結了保險管在通信設備中使用所常見的失效模式及失效機理。在此基礎上，按照失效分析的基本準則，通過具體案例分析研究，闡述了保險管的固有質量、設計選型和制造應用等在產品中的重要性，對改進產品設計和提高產品可靠性具有重要意義。

關鍵詞:保險管;失效分析;固有質量;設計選型;制造應用

1引言

保險管是一種安裝在主電路中，保證電路系統安全運行的過電流保護元件。由于其在電路中具有獨特的電氣和物理特性優勢，如在回路中正常工作時接近理想線路或導線，熔斷后接近理想關斷，可快速熔斷或延遲熔斷，結構種類多樣且標準化等，所以隨著電路系統安全等級的不斷提升和細化，其將在各個應用領域中繼續扮演著重要的角色。本文針對電信設備用保險管進行失效分析研究，總結其在設計、生產和應用中所存在的各種質量問題，提出改進措施，有助于促進保險管的可靠生產和使用。

2保險管結構及工作機理

保險管根據安規認證、輸入源、響應時間、分斷能力等有不同的類型劃分，但不管是哪種類型保險管，其結構一般由端帽、熔體、焊錫和支架等四個主要部分組成。如圖1所示，一是端帽，一般有兩個，是熔體同外部電路間鏈接的重要部件，它必須有良好的導電性，通常為鍍金、銀或錫等的銅合金材料;二是熔體，為中間導體部分，是保險管的核心，起到電流的導通和切斷作用，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，并使三個部分成為剛性的整體，它須有良好的機械強度、絕緣性、耐熱性和阻燃性等，確保在使用中不產生變形斷裂、短路、熔化及燃燒等現象，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行可靠電氣焊接，同時起到保險管整體的加固作用，其焊接質量直接影響到保險管的電氣性能。除此外，電力電路及大功率設備所使用的保險管，通常在其支架內部還填充有高絕緣和導熱良好的滅弧裝置，如石英砂，以確保出現熔體熔斷后電路得到有效切斷，且無拉弧、漏電、起火或炸裂現象。當電路發生故障或異常時，隨著電流的升高，保險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一定時間后，熔體上產生的熱量超過熔體的熱熔值且無法及時散開，此時熔體開始熔融并最終切斷電路，從而起到保護電路安全運行的作用。

3保險管失效模式及失效機理

保險管失效分析是指采用一定的方法手段，找到保險管為什么失效的過程。通常而言，其失效分析從信息收集開始，到報告輸出和結果追蹤驗證結束，為了使分析結果準確，分析遵循的基本原則為:先外后內、先一般后特殊、先無損后有損、先物理后化學等［1］。通信設備均大量使用各種型號保險管，根據保護層級不同，有些單板甚至使用好幾種不同型號規格保險管，在研發設計、生產制造和工程應用等各階段遇到過各種各樣的故障，表1為近幾年保險管失效情況統計。經綜合分析驗證，保險管失效不僅跟器件本身設計和制造工藝有關，同時跟研發設計選型、生產制造和外場應用有很大關系。

4失效案例分析

4．1失效案例一

失效背景:某型號定制電源在工程現場使用2－7周陸續出現故障，表現為電源無輸出，經排查定位，為保險管開路導致。失效分析:從單板拆解下3只樣品進行測試，確認均已開路異常，進一步的外觀、端子結合強度和X射線檢查(2D)等項目檢測未發現有明顯異常，初步排除支架破損、端帽松動和過流燒毀等情況，懷疑斷點在器件兩端內部焊點，典型X射線如圖2所示。由于樣品內部焊點較大，X射線(2D)未能拍出內部斷點的位置形貌，為了在不破壞故障原始信息的情況下觀察其形貌，對樣品進行CT拍照，結果顯示其內部焊點有一端焊接開路，典型如圖3所示。根據其失效位置和形貌判斷，應為應力或焊接異常導致。為找到失效根因，分別對2只失效品進行灌封切片和機械拆解分析，切片樣品分析結果顯示熔體沒有熔融痕跡，開裂位置熔體端面保持切割時的形貌，且斷點周圍熔體表面錫鍍層缺失，IMC形成不連續，焊點內部無熔體殘留，典型如圖4所示;開封樣品斷點處熔體表面鍍層也缺失，內部焊點呈凹坑形貌，應發生過輕微打火，但能量并不高，典型如圖5所示。能譜分析凹坑及周圍表面未發現有熔體合金成分，進一步的切片分析結果同直接切片樣品一致，熔體端面保持切割時的原始形貌，說明熔體本身未受到損傷。綜合2只樣品的分析，發現斷裂側熔體浸入焊錫的深度很淺，而良好側熔體浸入焊錫深度很深，接觸到端帽，初步判定斷裂為焊點焊接不可靠導致使用疲勞開裂。將故障樣品返還廠家分析，明確失效根因:熔體裁剪設備卡頓異常，該批次熔體出現尺寸偏短情況，不良比例為600ppm左右，不良熔體比良品短1mm左右，導致上部端帽焊接時接觸長度不足，焊接強度下降，使用過程疲勞斷裂失效。分析結論:由于熔體裁線設備異常，熔體裁剪尺寸偏短，焊接時頂部焊點熔體和焊錫焊接長度不足，導致焊接強度下降，在外場使用時疲勞開裂。圖2故障品典型X射線圖(2D)改進措施:1)供方對原有裁線設備進行升級改造，確保熔體尺寸100%測量并在發現不良時可實時告警;2)供方每批成品均抽樣進行CT和切片檢測，確保焊接良好;3)供方對每批成品進行加載高低溫循環實驗，確保產品可靠性滿足使用要求。

4．2失效案例二

失效背景:某智能風扇控制板在整機測試時故障率較高，特別是在上電過程中。經對單板進行分析，發現故障均為保險管開路引起，X射線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，符合過載燒毀特征。為找到失效根因，進一步排查單板其他器件、供電條件和風扇負載等，均未發現有明顯異常，那么可能原因有:一是保險管選型降額不足，正常負載條件下燒毀;二是負載非純阻性，上電瞬間脈沖電流燒毀。根據原因推測，在測試現場用示波器探頭直接監測保險管上電瞬間和穩態電流，第一次上電結果顯示上電瞬態脈沖電流峰值pk達85．5A，脈沖維持時間為2ms左右，如圖7所示(電流計檔位設置為10mV/A，即10mV表示1A);穩態電流在3A左右，未超出保險管5A規格，且滿足降額要求，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算得出:反查此代碼物料規格書，此保險管為快熔型，共有3個品牌拆分，A品牌在＜10ms時，標稱熔斷I2t=5．6，B品牌為5．0，C品牌6．8，而故障保險管正是B品牌，為臨界值。分析結論:研發設計選型存在問題，未對不同品牌保險管進行充分驗證，由于品牌差異較大，導致系統上電瞬間保險管燒毀。改進措施:1)同代碼下不同品牌拆分，熱熔要求一致，且要求全部進行驗證通過才可以轉批量;2)對有風扇、電機或容性負載系統，由于啟動瞬間脈沖電流較大，要求使用慢熔型保險管。

4．3失效案例三

失效背景:某電源在工程現場使用2年左右出現大量返還，故障表現為電源無輸出，經定位，確認故障為保險管開路導致。進一步反查返修和發貨數據記錄，發現返還的電源模塊均來自某兩省份的某些區域，而該模塊電源為老產品，同批次物料也已大量使用于不同的項目，使用地域分布范圍非常廣，其他區域使用并未有相同故障返修記錄。失效分析:故障發生在工程現場階段，且屬于非早期失效，根據經驗可以排除如設計選型不當，或材料來料批次質量缺陷等問題，推測為應用環境問題，如機房環境溫度過熱、環境因素導致的保險絲老化、輸入電源波動、雷擊和負載短路等異常。首先，對返回模塊電源進行外觀檢查，未發現有單板有變形，器件燒毀，三防缺失，或灰塵附著等異常;然后對其進行導通測試，顯示開路異常，但在板對保險管進行X射線檢查，由于PCB板較厚加上板上背部器件影響，未檢測到有明顯異常;進一步將器件拆解，導通測試故障依舊，X射線檢查發現靠近端子附近有熔體斷裂并錯位，典型如圖9所示，根據經驗判斷，此位置斷裂一般為非熔斷。拆開器件端子和支架，發現內部熔體已經整體氧化發黑，且在X射線檢查發現異常處出現斷裂，斷口為自然腐蝕斷裂形貌，典型如圖10－11所示，進一步的EDS分析顯示，器件熔體已經硫化腐蝕，典型結果如圖12所示。根據器件失效機理，反查故障發生地的空氣質量情況，公開資料顯示，此區域均為產煤礦的重工業基地，PM2．5數據一直都很差，尤其是冬天，屬空氣污染嚴重地區，由于器件支架為非密封陶瓷結構，如圖13所示，大氣中腐蝕性含硫氣體、濕氣和離子等進入其內部，導致其硫化腐蝕。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的吸附性，其周圍熔體腐蝕更快且最先斷裂。分析結論:1)保險管研發選型存在問題，保險管同代碼下有兩種不同支架結構，即密閉和非密閉，且未進行充分的應用可靠性驗證，導致非密閉器件外場腐蝕開路失效;2)項目工勘存在問題，未準確完整地提供站點環境信息，導致風險評估覆蓋不全，擬定的產品可靠性測試項目無針對性。改進措施: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一致;2)器件和產品增加混合氣體腐蝕實驗，均通過才可以轉產;3)項目工勘需提供當地土壤、大氣、水及工業情況等詳細信息，以評估外場風險，制定針對性可靠性測試項目。

5結束語

保險管由于其結構原理、承擔功能和活性材質等特性，決定了其本身具有一些固有特征，生產和應用中出現失效不可避免，對其進行失效分析，就器件本身而言，提出工藝和可靠性改進措施，可提高保險管的固有質量;就其應用而言，從分析出的失效機理出發，采取切實的改進措施、更嚴謹的設計驗證方法和更完善的管理機制，可提高設備的可靠性，獲得更高的經濟效益。

參考文獻:

［1］陳守金．連接器失效分析方法與應用［J］．機電元件，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