一種電感式接近開關的失效分析方法

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系變化，可將非電量或電磁量轉化為所希望的電信號，從而實現控制或測量的目的。相比傳統微動開關觸點易老化、機械壽命低以及環境適應能力差，接近開關具有非接觸檢測、壽命長、可靠性高、環境適應能力強等優點，因而被廣泛應用于制造業、汽車、飛機、物流、化工、冶金、輕紡等多行業中的非接觸領域［1～3］。

按照工作原理的不同，接近開關可以分為電感式、電容式、光電式等。在接近開關選用上，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］。

根據不同的安裝形式，電感式接近開關可分為圓柱式和法蘭式。其中，圓柱式接近開關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，會在金屬殼體內部灌封環氧樹脂［6］。由于內部灌封環氧樹脂，在對這類接近開關進行失效分析時，對這類接近開關進行有效開封是一項必要工作。通過開封暴露內部電路板、磁罐等結構，是進一步檢測、排查及定位失效的關鍵。

2 電感式接近開關失效分析

2.1 電感式接近開關工作原理

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

圖1 電感式接近開關原理框圖

振蕩電路的線圈產生高頻交流磁場，該磁場經由傳感器的感應面釋放出來。當有金屬物體接近這個能產生電磁場的振蕩感應端時，會使該金屬物體內部產生渦流，這個渦流反作用于接近開關，影響了振蕩回路的電感參數，使接近開關振蕩能力衰減以至停振。振蕩與停振，這兩種狀態經檢測電路轉換成開關信號輸出［6～8］。

2.2 失效分析流程

根據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、由外部到內部的原則開展。以下以某型圓柱電感式接近開關為例，結合工程實際，對該類接近開關的失效分析過程、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在工程應用過程中失效，產品在常溫下輸出正常，當溫度升高至40℃以上時，輸出異常（無激勵信號時，燈常亮）。失效前，該接近開關累積工作6個月。

首先對失效接近開關外觀檢查、X射線檢查，記錄器件外部細節及內部結構信息。然后進行電測試、40℃環境溫度下電測試，進行失效狀態復現。進一步采用合適的手段對產品進行開封及內部檢查、內部測試，失效位置定位。最后，根據檢查結果結合產品經歷分析其失效原因，給定失效結論。

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。將接近開關至于高于40℃的高溫箱內，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射線檢測系統對失效件進行內部結構檢查，失效件磁罐完整，電路內部接線良好，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。去除環氧樹脂后照片見圖6。比對件內部照片見圖7。

圖5 失效件磁罐底部裂紋

圖6 失效件去除環氧樹脂后內部照片

圖7 比對件內部照片

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、輸出電路驅動信號的輸入、輸入端，對失效件進行內部電路測試［12～15］，并與正常件進行測試結果比對。接近開關內部測試結果見表2。

由表2接近開關內部比對測試情況可見，失效件內部振蕩電路、檢波電路、輸出電路驅動電路等電路結構與正常件均接近，接近開關電路板結構部分未見顯著異常。

表2 接近開關內部電路測試結果

2.2.5 失效原因分析

失效接近開關在40℃以上溫度時，發生激勵撤離后仍然有輸出、燈常亮的故障現象，當去除外部金屬殼體、灌封膠（環氧樹脂）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。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，致使裂紋發生變化，引起磁通量變化，改變了振蕩器的工作狀態，導致接近開關功能失效。

該型接近開關有4只同樣失效現象的失效件，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（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，測試結果見表4。

表4 失效件2測試結果

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，以檢查其磁罐及內部電路狀態。開封后，內部電路板未見異常。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。據此，分析磁罐存在裂紋時導致以上兩接近開關失效的直接原因。

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

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

2.2.7 分析結論

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

3 結語

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