孙 悦 申丽丽 李迎昕 段文鹏

（军用电子元器件北京第三检测中心 北京 100015）

1 引言

接近开关又称接近传感器，利用电磁工作原理，通过传感器与物体之间的位置关系变化，可将非电量或电磁量转化为所希望的电信号，从而实现控制或测量的目的。相比传统微动开关触点易老化、机械寿命低以及环境适应能力差，接近开关具有非接触检测、寿命长、可靠性高、环境适应能力强等优点，因而被广泛应用于制造业、汽车、飞机、物流、化工、冶金、轻纺等多行业中的非接触领域［1～3］。

按照工作原理的不同，接近开关可以分为电感式、电容式、光电式等。在接近开关选用上，通常，检测金属材料首选电感式，检测非金属材料时首选电容式［4～5］。

根据不同的安装形式，电感式接近开关可分为圆柱式和法兰式。其中，圆柱式接近开关的电路板外由金属螺纹状壳体包裹。出于电路板安全防护等考虑，会在金属壳体内部灌封环氧树脂［6］。由于内部灌封环氧树脂，在对这类接近开关进行失效分析时，对这类接近开关进行有效开封是一项必要工作。通过开封暴露内部电路板、磁罐等结构，是进一步检测、排查及定位失效的关键。

2 电感式接近开关失效分析

2.1 电感式接近开关工作原理

电感式接近开关是一种有开关量输出的位置传感器，其内部主要由振荡、检波、放大、整形部分以及开关输出等部分组成，其原理框图如图1所示。

图1 电感式接近开关原理框图

振荡电路的线圈产生高频交流磁场，该磁场经由传感器的感应面释放出来。当有金属物体接近这个能产生电磁场的振荡感应端时，会使该金属物体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，影响了振荡回路的电感参数，使接近开关振荡能力衰减以至停振。振荡与停振，这两种状态经检测电路转换成开关信号输出［6～8］。

2.2 失效分析流程

根据集成电路失效分析基本流程［9～11］，整体分析工作按照由无损到破坏性、由外部到内部的原则开展。以下以某型圆柱电感式接近开关为例，结合工程实际，对该类接近开关的失效分析过程、分析方法进行介绍。

2.2.1 失效背景及分析流程

某圆柱电感式接近开关在工程应用过程中失效，产品在常温下输出正常，当温度升高至40℃以上时，输出异常（无激励信号时，灯常亮）。失效前，该接近开关累积工作6个月。

首先对失效接近开关外观检查、X射线检查，记录器件外部细节及内部结构信息。然后进行电测试、40℃环境温度下电测试，进行失效状态复现。进一步采用合适的手段对产品进行开封及内部检查、内部测试，失效位置定位。最后，根据检查结果结合产品经历分析其失效原因，给定失效结论。

2.2.2 外观检查

对失效件进行外观检查，检查圆柱式接近开关接线、外壳完整性，是否存在裂纹等异常。失效件外观检查未见异常，见图2。

图2 失效件外观照片

2.2.3 比对测试

对失效件及正常件进行比对测试，测试情况见表1。将接近开关至于高于40℃的高温箱内，去除激励后，仍有输出，表明功能失效。随后，将失效件在常温下保持约5min后，再次测试，功能恢复正常。

表1 比对测试

2.2.4 X射线检查

采用X射线检测系统对失效件进行内部结构检查，失效件磁罐完整，电路内部接线良好，未见显著异常。X射线检查照片见图3。

图3 失效件X射线检查照片

对电路板正面及背面放大观察，电路板上器件焊接良好，外观未见异常。将磁罐外部红色保护套轻轻剥离，磁罐底部可见裂纹存在。磁罐底部裂纹见图5。去除环氧树脂后照片见图6。比对件内部照片见图7。

图5 失效件磁罐底部裂纹

图6 失效件去除环氧树脂后内部照片

图7 比对件内部照片

图4 失效件去除金属壳体后照片

为定位失效位置，根据电路原理图框图，分别选取振荡电路信号、检波电路信号、输出电路驱动信号的输入、输入端，对失效件进行内部电路测试［12～15］，并与正常件进行测试结果比对。接近开关内部测试结果见表2。

由表2接近开关内部比对测试情况可见，失效件内部振荡电路、检波电路、输出电路驱动电路等电路结构与正常件均接近，接近开关电路板结构部分未见显著异常。

表2 接近开关内部电路测试结果

2.2.5 失效原因分析

失效接近开关在40℃以上温度时，发生激励撤离后仍然有输出、灯常亮的故障现象，当去除外部金属壳体、灌封胶（环氧树脂）及磁罐保护套后，失效件在50℃时激励撤离后无输出，功能恢复。对磁罐进行检查，可见磁罐底部有裂纹。分析由于磁罐存在裂纹，在温度升高时密封胶体积改变，致使裂纹发生变化，引起磁通量变化，改变了振荡器的工作状态，导致接近开关功能失效。

该型接近开关有4只同样失效现象的失效件，为进一步分析失效原因，采用同样等方法对另一只失效接近开关（失效件2）进行了测试与开封检查。对失效件2在开封前后分别进行了测试，测试结果见表4。

表4 失效件2测试结果

进一步去除失效件2的金属壳体、灌封材料以及磁罐保护套，以检查其磁罐及内部电路状态。开封后，内部电路板未见异常。在去除磁罐外部保护套时，部分磁罐体随保护套脱落，未脱落磁罐体上存在多处不规则裂纹，见图8～图9。温度升高（50℃）时，失效件2在激励去除后仍有输出且灯常亮。与之前分析的失效件的失效原因一致。据此，分析磁罐存在裂纹时导致以上两接近开关失效的直接原因。

图8 失效件2部分磁罐体脱落

图9 失效件2磁罐裂纹

2.2.6 失效验证

将失效接近开关返厂，对受损磁罐进行替换与重新匹配设计后，失效件功能恢复正常。分析失效接近开关功能失效系其磁罐部位受损所致。

2.2.7 分析结论

磁罐开裂导致接近开关在40℃左右温度时功能失效；接近开关磁罐存在裂纹，温度升高时由于密封胶体积改变，致裂纹发生变化，引起磁通量变化，改变了振荡器的工作状态，导致接近开关功能失效。建议加强磁罐防护，避免磁罐受应力损伤。

3 结语

本文以工程应用中发生一起接触开关失效案例为例，详细介绍了一种内部灌封数值的圆柱式接近开关的失效分析方法对该类接近开关的失效分析思路、灌封树脂去除方式，提供了一种行之有效的解决方案。