• 常用的電子元器件失效機理與故障分析

    2019-10-25 14:53| 發布者: | 查看: |


    電子元器件在使用過程中,常常會出現失效和故障,從而影響設備的正常工作。文本分析了常見元器件的失效原因和常見故障。
     
    電子設備中絕大部分故障最終都是由于電子元器件故障引起的。如果熟悉了元器件的故障類型,有時通過直覺就可迅速的找出故障元件,有時只要通過簡單的電阻、電壓測量即可找出故障。
     
    1. 電阻器類
     
    電阻器類元件包括電阻元件和可變電阻元件,固定電阻通常稱為電阻,可變電阻通常稱為電位器。電阻器類元件在電子設備中使用的數量很大,并且是一種消耗功率的元件,由電阻器失效導致電子設備故障的比率比較高,據統計約占15% 。電阻器的失效模式和原因與產品的結構、工藝特點、使用條件等有密切關系。電阻器失效可分為兩大類,即致命失效和參數漂移失效?,F場使用統計表明,電阻器失效的85%~90% 屬于致命失效,如斷路、機械損傷、接觸損壞、短路、絕緣、擊穿等,只有1 0 % 左右的是由阻值漂移導致失效。
     
    電阻器電位器失效機理視類型不同而不同。非線形電阻器和電位器主要失效模式為開路、阻值漂移、引線機械損傷和接觸損壞;線繞電阻器和電位器主要失效模式為開路、引線機械損傷和接觸損壞。主要有以下四類:
     
    (1 )碳膜電阻器。引線斷裂、基體缺陷、膜層均勻性差、膜層刻槽缺陷、膜材料與引線端接觸不良、膜與基體污染等。
     
    ( 2 )金屬膜電阻器。電阻膜不均勻、電阻膜破裂、引線不牢、電阻膜分解、銀遷移、電阻膜氧化物還原、靜電荷作用、引線斷裂、電暈放電等。
     
    (3 )線繞電阻器。接觸不良、電流腐蝕、引線不牢、線材絕緣不好、焊點熔解等。
     
    (4 )可變電阻器。接觸不良、焊接不良、接觸簧片破裂或引線脫落、雜質污染、環氧膠不好、軸傾斜等。
     
    電阻容易產生變質和開路故障。電阻變質后往往是阻值變大的漂移。電阻一般不進行修理,而直接更換新電阻。線繞電阻當電阻絲燒斷時,某些情況下可將燒斷處理重新焊接后使用。
     
    電阻變質多是由于散熱不良,過分潮濕或制造時產生缺陷等原因造成的,而燒壞則是因電路不正常,如短路、過載等原因所引起。電阻燒壞常見有兩種現象,一種是電流過大使電阻發熱引起電阻燒壞,此時電阻表面可見焦糊狀,很易發現。另一種情況是由于瞬間高壓加到電阻上引起電阻開路或阻值變大,這種情況,電阻表面一般沒有明顯改變,在高壓電路經??砂l現這種故障現象的電阻。
     
    可變電阻器或電位器主要有線繞和非線繞兩種。它們共同的失效模式有:參數漂移、開路、短路、接觸不良、動噪聲大,機械損傷等。但是實際數據表明:實驗室試驗與現場使用之間主要的失效模式差異較大,實驗室故障以參數漂移居多,而現場以接觸不良、開路居多。
     
    電位器接觸不良的故障,在現場使用中普遍存在。如在電信設備中達9 0 % ,在電視機中約占8 7 %,故接觸不良對電位器是致命的薄弱環節。造成接觸不良的主要原因如下:
     
    ( 1 )接觸壓力太小、簧片應力松弛、滑動接點偏離軌道或導電層、機械裝配不當,又或很大的機械負荷(如碰撞、跌落等)導致接觸簧片變形等。
     
    (2 )導電層或接觸軌道因氧化、污染,而在接觸處形成各種不導電的膜層。
     
    (3 )導電層或電阻合金線磨損或燒毀,致使滑動點接觸不良。
     
    電位器開路失效主要是由局部過熱或機械損傷造成的。例如,電位器的導電層或電阻合金線氧化、腐蝕、污染或者由于工藝不當(如繞線不均勻,導電膜層厚薄不均勻等)所引起的過負荷,產生局部過熱,使電位器燒壞而開路;滑動觸點表面不光滑,接觸壓力又過大,將使繞線嚴重磨損而斷開,導致開路;電位器選擇與使用不當,或電子設備的故障危及電位器,使其處于過負荷或在較大的負荷下工作。這些都將加速電位器的損傷。
     
    2. 電容器類
     
    電容器常見的故障現象主要有擊穿、開路、電參數退化、電解液泄漏及機械損壞等。導致這些故障的主要原因如下:
     
    (1 )擊穿。介質中存在疵點、缺陷、雜質或導電離子;介質材料的老化;電介質的電化學擊穿;在高濕度或低氣壓環境下極間邊緣飛??;在機械應力作用下電介質瞬時短路;金屬離子遷移形成導電溝道或邊緣飛弧放電;介質材料內部氣隙擊穿造成介質電擊穿;介質在制造過程中機械損傷;介質材料分子結構的改變以及外加電壓高于額定值等。
     
    (2 )開路。擊穿引起電極和引線絕緣;電解電容器陽極引出箔被腐蝕斷(或機械折斷);引出線與電極接觸點氧化層而造成低電平開路;引出線與電極接觸不良或絕緣;電解電容器陽極引出金屬箔因腐蝕而導致開路;工作電解質的干涸或凍結;在機械應力作用下電解質和電介質之間的瞬時開路等。
     
    (3 )電參數退化。潮濕與電介質老化與熱分解;電極材料的金屬離子遷移;殘余應力存在和變化;表面污染;材料的金屬化電極的自愈效應;工作電解質的揮發和變稠;電極的電解腐蝕或化學腐蝕;引線和電極接觸電阻增加;雜質和有害離子的影響。
     
    由于實際電容器是在工作應力和環境應力的綜合作用下工作的,因而會產生一種或幾種失效模式和失效機理,還會有一種失效模式導致另外失效模式或失效機理的發生。例如,溫度應力既可以促使表面氧化、加快老化的影響程度、加速電參數退化,又會促使電場強度下降,加速介質擊穿的早日到來,而且這些應力的影響程度還是時間的函數。因此,電容器的失效機理與產品的類型、材料的種類、結構的差異、制造工藝及環境條件、工作應力等諸因素等有密切關系。
     
    電容器出現擊穿故障非常容易發現,但對于有多個元件并聯的情況,要確定具體的故障元件卻較為困難。電容器開路故障的確定可通過將相同型號和容量的電容與被檢測電容并聯,觀察電路功能是否恢復來實現。電容電參數變化的檢查較為麻煩,一般可按照下面方法進行。
     
    首先應將電容器的其中一條引線從電路板上燙下來,以避免周圍元件的影響。其次根據電容器的不同情況用不同的方法進行檢查。
     
    (1 )電解電容器的檢查。將萬用表置于電阻擋,量程視被測電解電容的容量及耐壓大小而定。測量容量小、耐壓高的電解電容,量程應位于R ×10kW 擋;測量容量大、耐壓低的電解電容,量程應位于R × 1 k W 擋。觀察充電電流的大小、放電時間長短(表針退回的速度)及表針最后指示的阻值。
     
    電解電容器質量好壞的鑒別方法如下:
     
    ①充電電流大,表針上升速度快,放電時間長,表針的退回速度慢,說明容量足。
     
    ②充電電流小,表針上升速度慢,放電時間短,表針的退回速度快,說明容量小、質量差。
     
    ③充電電流為零,表針不動,說明電解電容器已經失效。
     
    ④放電到最后,表針退回到終了時指示的阻值大,說明絕緣性能好,漏電小。
     
    ⑤放電到最后,表針退回到終了時指示的阻值小,說明絕緣性能差,漏電嚴重。
     
    (2 )容量為1 mF 以上的一般電容器檢查??捎萌f用表電阻擋(R × 1 0 k W)同極性多次測量法來檢查漏電程度及是否擊穿。將萬用表的兩根表筆與被測電容的兩根引線碰一下,觀察表針是否有輕微的擺動。對容量大的電容,表針擺動明顯;對容量小的電容,表針擺動不明顯。緊接著用表筆再次、三次、四次碰電容器的引線(表筆不對調),每碰一次都要觀察針是否有輕微的擺動。如從第二次起每碰一次表針都擺動一下,則說明此電容器有漏電。如接連幾次碰時表針均不動,則說明電容器是好的。如果第一次相碰時表針就擺到終點,則說明電容器已經被擊穿。另外,對于容量為1mF~20mF的電容器,有的數字萬用表可以測量。
     
    (3 )容量為1 mF 以下的電容器檢查??梢允褂脭底秩f用表的電容測量擋較為準確地測得電容器的實際數值。若沒有帶電容測量功能的數字萬用表,只能用歐姆擋檢查它是否擊穿短路。用好的相同容量的電容器與被懷疑的電容器并聯,檢查它是否開路。
     
    (4 )電容器參數的精確測量。單個電容器容量的精確測量可使用LCR 電橋,耐壓值的測量可采用晶體管特性測試儀。
     
    3. 電感和變壓器類
     
    此類元件包括電感、變壓器、振蕩線圈、濾波線圈等。其故障多由于外界原因所引起的,例如,當負載短路時,由于流過線圈的電流超過額定值,變壓器溫度升高,造成線圈短路、斷路或絕緣擊穿。當通風不良、溫度過高或受潮時,亦會產生漏電或絕緣擊穿的現象。
     
    對于變壓器的故障現象及原因,常見的有以下幾種:當變壓器接通電源后,若鐵心發出嗡嗡的響聲,則故障原因可能是鐵心未夾緊或變壓器負載過重;發熱高、冒煙、有焦味或保險絲燒斷,則可能是線圈短路或負載過重。
     
    電感和變壓器類元件的故障檢查一般采用如下方法:
     
    (1 )直流電阻測量法。用萬用表的電阻擋測電感類的元件的好壞。測天線線圈、振蕩線圈時,量程應置于最小電阻擋(如R × 1 W 擋);測中周及輸出輸入變壓器時,量程應放在低阻擋(R × 10W或R × 1 0 0 W 擋),測得的阻值與維修資料或日常積累的經驗數據相對照,如果很接近則表示被測元件是正常的;如果阻值比經驗數據小許多,表明線圈有局部短路;如果表針指示值為零,則說明線圈短路。應該注意的是,振蕩線圈、天線線圈及中周的次級電阻很小,只有零點幾歐姆,讀數時尤其要仔細,不要誤判斷為短路。用高阻擋(R ×10kW)測量初級線圈與次級線圈之間的電阻時,應該是無窮大。如果初級、次級之間有一定的電阻值,則表示初級、次級之間有漏電。
     
    (2 )通電檢查法。對電源變壓器可以通過通電檢查,看次級電壓是否下降,如果次級電壓則懷疑次級(或初級)有局部短路。當通電后出現變壓器迅速發燙或有燒焦味、冒煙等現象,則可判斷變壓器肯定有局部短路。
     
    (3 )儀器檢查法??梢允褂酶哳l率Q 表來測量電感量及其Q 值,也可以用電感短路儀來判斷低頻率線圈的局部短路現象。用兆歐表則可以測量電源變壓器初、次級之間的絕緣電阻。若發現變壓器有漏電現象則可能是絕緣不良或受潮所引起的,此時可將變壓器拆下來去潮烘干。另外,調壓變壓器的各種碳刷或銅刷,在維護和所用不當的情況下極容易磨損,其碎片和積炭往往因短路部分的線圈燒毀而燒毀變壓器,因此平時要注意維護。
     
    4. 集成塊類
     
    電極開路或時通時斷主要原因是電極間金屬遷移、電蝕和工藝問題。電極短路主要原因是電極間金屬電擴散、金屬化工藝缺陷或外來異物等。引線折斷主要原因有線徑不均,引線強度不夠,熱點應力和機械應力過大和電蝕等。電參數漂移主要原因是原材料缺陷、可移動離子引起的反應等。機械磨損和封裝裂縫主要由封裝工藝缺陷和環境應力過大等造成??珊附有圆钪饕梢€材料缺陷、引線金屬鍍層不良、引線表面污染、腐蝕和氧化造成。無法工作一般是工作環境因素造成的。
     
    綜上所述,我們可以知道,為了保證設備或系統能可靠地工作,對于電子元器件的可靠性要求就非常高??煽啃灾笜艘呀洺蔀樵骷闹匾|量指標之一。了解了元器件的失效模式和失效機理,對于診斷設備故障,保持設備的可靠性是十分重要的。
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