Kontaktsicherheit von Relais 20 Ursachen, warum Relais ausfallen können, Teil 2

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Trotz aufwändiger Qualitätssicherung fallen Relais nach Jahren aus. Ursache sind meist organische Kontaminationen an den Kontakten. In einer Studie wurden Relais der namhaften Hersteller untersucht.

Zur Untersuchung von Kontaktproblemen bei Relais haben sich die Methoden der Oberflächenanalytik wie Rasterlektronenmikroskopie (REM) oder Sekundärinonen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) bewährt. Die Firma OFG hat mehrere 100 unterschiedliche Relais von Herstellern aus Europa, Asien und Amerika über einen Zeitraum von etwa zehn Jahren untersucht.

Die Untersuchungsergebnisse bezüglich der organischen Oberflächenchemie werden im zweiten Teil dieser Serie veröffentlicht, während der Schwerpunkt von Teil 1 auf den Fehlermöglichkeiten und der Fehleranalytik lag.

Interne und externe organische Kontaminationen auf den Kontaktoberflächen

Nach Ausschluss aller mechanischen Fehlerquellen, zu hohen elektrischen Belastungen oder Partikelbelegung auf der Kontaktoberfläche führt die Suche nach der Ursache für Funktionsausfälle schnell zum Verdacht auf organische Oberflächenbelegungen.

Eine erste lichtmikroskopische Inspektion der Kontaktoberflächen zeigt ein äußerst mannigfaltiges Bild. Die normalerweise hochglänzend poliert erscheinenden Oberflächen zeigen zum Teil das Ergebnis von Reibungsprozessen (Kratzer, Dellen), die entweder vom Herstellungsprozess, von Vorbehandlungen oder von der Relativbewegung der Kontakte zueinander herrühren.

Die weiteren lichtmikroskopischen Untersuchungen der Kontaktoberflächen offenbaren ein erstaunliches Bild. Bei vergleichenden Untersuchungen sowohl von funktionstechnisch i.O. geprüften Kontaktpaaren als auch bei auffälligen Kontakten werden offensichtlich organische Beläge und Ablagerungen in partikulärer und flächiger Form beobachtet. In manchen Fällen sind selbst mit dem unbewaffneten Auge Beläge auf den Kontaktoberflächen, z.T. in Form von Eintrocknungsrändern, erkennbar (Bild 1).

Relaiskontakte sind gastechnisch gesehen nicht dicht

Prinzipiell sind die Relaiskontakte durch das Kunststoffgehäuse relativ gut von der Umgebung abgeschirmt; rein gastechnisch sind sie allerdings nicht wirklich dicht. Viele besitzen zusätzliche Belüftungslöcher/Druckausgleichsöffnungen.

Auch bei Relais der Schutzarten RTII/RTIII können organische Verbindungen oder Wassermoleküle bei entsprechender Luftfeuchtigkeit von Außen in den Innenraum des Gehäuses eindringen (externe Kontaminationen), wo sie besonders gut auf den metallischen Kontaktoberflächen adsorbiert werden [1].

Auch können noch später beim Einsatz der Bauelemente Mikrorisse im Relaisgehäuse oder der Umspritzung entstehen, die dann für Flüssigkeiten mit einer geringen Oberflächenspannung durchlässig sind. Die Kontaminationen sind auf die unterschiedlichsten Umgebungseinflüsse zurückzuführen.

In der Umgebung der Einbauposition der Relais auf einer Steuerkarte oder Leiterplatte befinden sich zahlreiche weitere elektrische Bauelemente (andere Relais, Kondensatoren etc.), Schutzlacke oder Kunststoffteile, so dass hier mit vielen unterschiedlichen Materialien (Beläge auf metallischen Bahnen, Lackschichten, Klebstoffe, Vergussmassen, Löthilfsmittel etc.) als Emitter für organische Verbindungen zu rechnen ist.

Undefinierbare Anzahl und Art vagabundierender Verbindungen in der Gasphase

Hinzu kommt – abhängig vom direkten Einsatzgebiet – die die Leiterplatte umgebende Gasphase mit einer undefinierbaren Anzahl und Art von vagabundierenden Verbindungen (z.B. Phthalsäureester aus einer PVC-Kabelummantelung, Polydimethylsiloxan aus einer Silikondichtung).

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