孫 悅 申麗麗 李迎昕 段文鵬

（軍用電子元器件北京第三檢測中心 北京 100015）

1 引言

接近開關(guān)又稱接近傳感器，利用電磁工作原理，通過傳感器與物體之間的位置關(guān)系變化，可將非電量或電磁量轉(zhuǎn)化為所希望的電信號，從而實現(xiàn)控制或測量的目的。相比傳統(tǒng)微動開關(guān)觸點易老化、機械壽命低以及環(huán)境適應(yīng)能力差，接近開關(guān)具有非接觸檢測、壽命長、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、汽車、飛機、物流、化工、冶金、輕紡等多行業(yè)中的非接觸領(lǐng)域［1～3］。

按照工作原理的不同，接近開關(guān)可以分為電感式、電容式、光電式等。在接近開關(guān)選用上，通常，檢測金屬材料首選電感式，檢測非金屬材料時首選電容式［4～5］。

根據(jù)不同的安裝形式，電感式接近開關(guān)可分為圓柱式和法蘭式。其中，圓柱式接近開關(guān)的電路板外由金屬螺紋狀殼體包裹。出于電路板安全防護等考慮，會在金屬殼體內(nèi)部灌封環(huán)氧樹脂［6］。由于內(nèi)部灌封環(huán)氧樹脂，在對這類接近開關(guān)進行失效分析時，對這類接近開關(guān)進行有效開封是一項必要工作。通過開封暴露內(nèi)部電路板、磁罐等結(jié)構(gòu)，是進一步檢測、排查及定位失效的關(guān)鍵。

2 電感式接近開關(guān)失效分析

2.1 電感式接近開關(guān)工作原理

電感式接近開關(guān)是一種有開關(guān)量輸出的位置傳感器，其內(nèi)部主要由振蕩、檢波、放大、整形部分以及開關(guān)輸出等部分組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 電感式接近開關(guān)原理框圖

振蕩電路的線圈產(chǎn)生高頻交流磁場，該磁場經(jīng)由傳感器的感應(yīng)面釋放出來。當(dāng)有金屬物體接近這個能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)端時，會使該金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，這個渦流反作用于接近開關(guān)，影響了振蕩回路的電感參數(shù)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減以至停振。振蕩與停振，這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號輸出［6～8］。

2.2 失效分析流程

根據(jù)集成電路失效分析基本流程［9～11］，整體分析工作按照由無損到破壞性、由外部到內(nèi)部的原則開展。以下以某型圓柱電感式接近開關(guān)為例，結(jié)合工程實際，對該類接近開關(guān)的失效分析過程、分析方法進行介紹。

2.2.1 失效背景及分析流程

某圓柱電感式接近開關(guān)在工程應(yīng)用過程中失效，產(chǎn)品在常溫下輸出正常，當(dāng)溫度升高至40℃以上時，輸出異常（無激勵信號時，燈常亮）。失效前，該接近開關(guān)累積工作6個月。

首先對失效接近開關(guān)外觀檢查、X射線檢查，記錄器件外部細節(jié)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。然后進行電測試、40℃環(huán)境溫度下電測試，進行失效狀態(tài)復(fù)現(xiàn)。進一步采用合適的手段對產(chǎn)品進行開封及內(nèi)部檢查、內(nèi)部測試，失效位置定位。最后，根據(jù)檢查結(jié)果結(jié)合產(chǎn)品經(jīng)歷分析其失效原因，給定失效結(jié)論。

2.2.2 外觀檢查

對失效件進行外觀檢查，檢查圓柱式接近開關(guān)接線、外殼完整性，是否存在裂紋等異常。失效件外觀檢查未見異常，見圖2。

圖2 失效件外觀照片

2.2.3 比對測試

對失效件及正常件進行比對測試，測試情況見表1。將接近開關(guān)至于高于40℃的高溫箱內(nèi)，去除激勵后，仍有輸出，表明功能失效。隨后，將失效件在常溫下保持約5min后，再次測試，功能恢復(fù)正常。

表1 比對測試

2.2.4 X射線檢查

采用X射線檢測系統(tǒng)對失效件進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢查，失效件磁罐完整，電路內(nèi)部接線良好，未見顯著異常。X射線檢查照片見圖3。

圖3 失效件X射線檢查照片

對電路板正面及背面放大觀察，電路板上器件焊接良好，外觀未見異常。將磁罐外部紅色保護套輕輕剝離，磁罐底部可見裂紋存在。磁罐底部裂紋見圖5。去除環(huán)氧樹脂后照片見圖6。比對件內(nèi)部照片見圖7。

圖5 失效件磁罐底部裂紋

圖6 失效件去除環(huán)氧樹脂后內(nèi)部照片

圖7 比對件內(nèi)部照片

圖4 失效件去除金屬殼體后照片

為定位失效位置，根據(jù)電路原理圖框圖，分別選取振蕩電路信號、檢波電路信號、輸出電路驅(qū)動信號的輸入、輸入端，對失效件進行內(nèi)部電路測試［12～15］，并與正常件進行測試結(jié)果比對。接近開關(guān)內(nèi)部測試結(jié)果見表2。

由表2接近開關(guān)內(nèi)部比對測試情況可見，失效件內(nèi)部振蕩電路、檢波電路、輸出電路驅(qū)動電路等電路結(jié)構(gòu)與正常件均接近，接近開關(guān)電路板結(jié)構(gòu)部分未見顯著異常。

表2 接近開關(guān)內(nèi)部電路測試結(jié)果

2.2.5 失效原因分析

失效接近開關(guān)在40℃以上溫度時，發(fā)生激勵撤離后仍然有輸出、燈常亮的故障現(xiàn)象，當(dāng)去除外部金屬殼體、灌封膠（環(huán)氧樹脂）及磁罐保護套后，失效件在50℃時激勵撤離后無輸出，功能恢復(fù)。對磁罐進行檢查，可見磁罐底部有裂紋。分析由于磁罐存在裂紋，在溫度升高時密封膠體積改變，致使裂紋發(fā)生變化，引起磁通量變化，改變了振蕩器的工作狀態(tài)，導(dǎo)致接近開關(guān)功能失效。

該型接近開關(guān)有4只同樣失效現(xiàn)象的失效件，為進一步分析失效原因，采用同樣等方法對另一只失效接近開關(guān)（失效件2）進行了測試與開封檢查。對失效件2在開封前后分別進行了測試，測試結(jié)果見表4。

表4 失效件2測試結(jié)果

進一步去除失效件2的金屬殼體、灌封材料以及磁罐保護套，以檢查其磁罐及內(nèi)部電路狀態(tài)。開封后，內(nèi)部電路板未見異常。在去除磁罐外部保護套時，部分磁罐體隨保護套脫落，未脫落磁罐體上存在多處不規(guī)則裂紋，見圖8～圖9。溫度升高（50℃）時，失效件2在激勵去除后仍有輸出且燈常亮。與之前分析的失效件的失效原因一致。據(jù)此，分析磁罐存在裂紋時導(dǎo)致以上兩接近開關(guān)失效的直接原因。

圖8 失效件2部分磁罐體脫落

圖9 失效件2磁罐裂紋

2.2.6 失效驗證

將失效接近開關(guān)返廠，對受損磁罐進行替換與重新匹配設(shè)計后，失效件功能恢復(fù)正常。分析失效接近開關(guān)功能失效系其磁罐部位受損所致。

2.2.7 分析結(jié)論

磁罐開裂導(dǎo)致接近開關(guān)在40℃左右溫度時功能失效；接近開關(guān)磁罐存在裂紋，溫度升高時由于密封膠體積改變，致裂紋發(fā)生變化，引起磁通量變化，改變了振蕩器的工作狀態(tài)，導(dǎo)致接近開關(guān)功能失效。建議加強磁罐防護，避免磁罐受應(yīng)力損傷。

3 結(jié)語

本文以工程應(yīng)用中發(fā)生一起接觸開關(guān)失效案例為例，詳細介紹了一種內(nèi)部灌封數(shù)值的圓柱式接近開關(guān)的失效分析方法對該類接近開關(guān)的失效分析思路、灌封樹脂去除方式，提供了一種行之有效的解決方案。