摘要：针对固体继电器（SSR）在盐雾、温度冲击及低气压等极端环境下的失效问题，提出材料-结构-算法协同优化方案。采用 镀层（腐蚀面积< 3 % ）、AlSiC 基板（CTE 匹配差 < 1 0 % ）及双 MOS 冗余设计提升可靠性。实验表明：优化后 SSR 在 5 % NaCl 盐雾 480h 后绝缘电阻保持 （提升343 倍）， 低气压下耐压值达 650V（ 41 0 3 % ）， 加速试验寿命延长约 3.06 倍（ ）。研究为航天、军工等高可靠领域 SSR 设计提供支撑。

关键词：固体继电器；环境适应性；盐雾腐蚀；热冲击；冗余设计。

1.引言

固体继电器（SSR）因无机械触点、抗振性强，在特殊领域逐步通代电磁继电器。但其在盐雾、温变、低气压等复合环境下失效突出：盐雾腐蚀导致镀层劣化、绝缘下降（典型值 ）；温度冲击（ Ω> 2 0 %> / m i nΩ, ）引发 CTE 失配，键合丝断裂风险增 3 倍；低气压（如 ）使介质耐压降低达 60 % 。本研究通过改进材料、优化封装及引入智能监测提升SSR 可靠性。

2. 环境应环境应力影响机制与优化

2.1 盐雾腐蚀：

盐雾环境中Cl⁻ 离子渗透会引发以下失效模式：

管壳镀层腐蚀：镍基镀层在 480h 盐雾试验后出现 点蚀坑，导致气密性失效；内部金属迁移：PCB 铜导线在湿度 >8 5 % 时离子迁移速率提高2 倍，间距 0 . 2 m m 导线耐压值下降 3 5 % 。

总结：盐雾腐蚀显著降低SSR 性能，480h 后绝缘电阻下降至初始值的0 . 0 2 7 % ，介质耐压损失达 3 1 . 4 % ，表明镀层劣化与离子迁移是主要失效模式。

2.2 温度冲击效应

快速温变 ）引发的主要问题包括：热应力失效：压压基板与环氧树脂封装体CTE 差异（8.5 vs ）导致界面裂纹，500 次循环后热阻增加 20 % ；焊点疲劳：SnAgCu 焊点在 时，剪切强度下降 40 % 。

2.3 低气压：

气压P 降低显著削弱耐压（ 时， d=0 . 5 m m 导线耐压 320V vs 常压750V），气隙电离风险增；封装应力失衡致微裂纹。优化：双层结构（上层 PCB 间距 ）；AlO镀膜（ ）提升5kPa 下耐压 40 % 至 4 5 0 V 。

3.可靠性提升关键技术

3.1 热-机械应力协同管理

CTE 匹配设计：采用 AlSiC（ ）基板，与芯片热低因系数差异 < 1 0 % 。

散热强化：集成微通道冷却结构，热阻降低至 ，结温控制在 以下（负载电流25A 时）。

抗疲劳焊料：选用 A u2 0 S n 共晶焊料，剪切强度达45MPa（ 时仅下降 8 % ）。

3.2 冗余设计与智能监测

故障检测机制：采用霍尔效应电流传感器实时监测 MOS 管导通压降（V_DS），阈值设定为 ± 1 0 % ；高速比较器（LM393D）实现纳秒级响应，确保切换时间 。互通电路设计：三极管反向控制实现双 MOS 管互补导通，抑制寄生二极管反向漏电流（参考浙江格实电气 N+1 冗余策略）。热备份与冷备份状态说明：热备份（Active Redundancy）：冗余MOS 管半导通分担负载电流，切换延迟 ，适用于动态负载场景；冷备份（StandbyRedundancy）：冗余管完全关这，激活时间≤2ms，适用于低功耗场景。

4.实验验证与数据分析

4.1 低气压-温度循环试验

温度循环：引用Method 1051“温度循环（空气对空气）”；雾腐蚀试验：引用 Method 1046.3“盐雾（腐蚀）”。判定标准依据 MIL-STD-750F Method1046.3 的 Class III 等级要求（绝缘电阻 ）。

总结：验设计覆盖军用标准（MIL-STD-750F）三类典型应力，样本量满足统计显著性要求（置信度 5 9 5 % ）。

总结：协同优化方案实现多维性能突破，其中低气压耐压提升超 100 % ，盐雾绝缘性能恢复至E12 量级，满足航天器用继电器抗空间电离要求。

4.2 寿命加速试验

依据 Method 1031.5“高温寿命（非操作） 高温高湿试验， 负载电流20A。

总结：优化方案使 MTBF 延长 3.06 倍，Weibull 斜率 β 从 1.3 提升至2.3，表明失效模式从随机故障转为磨损主导，可靠性显著增强。

5.结论

通过材料-结构-算法的多维优化，SSR 在盐雾、温度冲击、低气压环境等军用典型环境下的可靠性取得突破：耐腐蚀性提升使盐雾480h 后性能衰减 < 1 5 % ；热管理优化使结温降低 ，寿命延长超 3 倍；冗余设计将系统失效率控制在 量级。本次研究为 SSR 在特殊领域的工程应用提供了完整技术路径，未来可进一步探索SiC 器件与AI 预测维护的融合创新。

参考文献：

[1] 刘艳等.固体继电器介质耐电压的研究进展[J].传感器技术与应用，2023.

[2] MIL-STD-750F.半导体器件试验方法[S].美国国防部，2020.

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