干货|电阻器和电解电容的失效机理分析

2020-07-18 15:49:58 admin 268

电子元器件的主要失效模式包括但不限于开路、短路、烧毁、爆炸、漏电、功能失效、电参数漂移、非稳定失效等。对于硬件工程师来讲电子元器件失效是个非常麻烦的事情,比如某个半导体器件外表完好但实际上已经半失效或者全失效会在硬件电路调试上花费大把的时间,有时甚至炸机。

 

所以掌握各类电子元器件的实效机理与特性是硬件工程师比不可少的知识。下面分类细叙一下各类电子元器件的失效模式与机理。

 

【电阻器失效模式与机理】

 

失效模式:各种失效的现象及其表现的形式。

 

失效机理:是导致失效的物理、化学、热力学或其他过程。

 

1、电阻器的主要失效模式与失效机理为

 

1) 开路:主要失效机理为电阻膜烧毁或大面积脱落,基体断裂,引线帽与电阻体脱落。

 

2) 阻值漂移超规范:电阻膜有缺陷或退化,基体有可动钠离子,保护涂层不良。

 

3) 引线断裂:电阻体焊接工艺缺陷,焊点污染,引线机械应力损伤。

 

4) 短路:银的迁移,电晕放电。

 

2、失效模式占失效总比例表

 

(1) 线绕电阻

失效模式 占失效总比例

开路 90%

阻值漂移 2%

引线断裂 7%

其它 1%

 

(2) 非线绕电阻

失效模式 占失效总比例

开路 49%

阻值漂移 22%

引线断裂 17%

其它 7%

 

3、失效机理分析

 

电阻器失效机理是多方面的,工作条件或环境条件下所发生的各种理化过程是引起电阻器老化的原因。

 

图片关键词

(1) 导电材料的结构变化

(2) 硫化

(3) 气体吸附与解吸

(4) 氧化

(5) 有机保护层的影响

(6) 机械损伤

 

 

 

【电解电容失效】

 

失效模式

 

1、耗尽失效

 

耗尽失效(1)

通常电解电容器寿命的终了评判依据是电容量下降到额定(初始值)的80%以下。由于早期铝电解电容器的电解液充盈,铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降。随着负荷过程中工作电解液不断修补倍杂质损伤的阳极氧化膜所致电解液逐渐减少。到使用后期,由于电解液挥发而减少,粘稠度增大的电解液就难于充分接触经腐蚀处理的粗糙的铝箔表面上的氧化膜层,这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小,即阳极、阴极铝箔容量减少,引起电容量急剧下降。因此,可以认为铝电解电容器的容量降低是由于电解液挥发造成。而造成电解液的挥发的最主要的原因就是高温环境或发热。

 

耗尽失效(2)

由于应用条件使铝电解电容器发热的原因是铝电解电容器在工作在整流滤波(包括开关电源输出的高频整流滤波)、功率电炉的电源旁路时的纹波(或称脉动)电流流过铝电解电容器,在铝电解电容器的ESR产生损耗并转变成热使其发热。

 

当铝电解电容器电解液蒸发较多、溶液变稠时,电阻率因粘稠度增大而上升,使工作电解质的等效串联电阻增大,导致电容器损耗明显上升,损耗角增大。例如对于105度工作温度的电解电容器,其最大芯包温度高于125度时,电解液粘稠度骤增,电解液的ESR增加近十倍。.增大的等效串联电阻会产生更大热量,造成电解液的更大挥发。如此循环往复,铝电解电容器容量急剧下降,甚至会造成爆炸。

 

耗尽失效(3)

漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。

 

应用电压过高和温度过高都会引起漏电流的增加

 

2、压力释放装置动作

 

压力释放装置动作

为了防止铝电解电容器中电解液由于内部高温沸腾的气体或电化学过程而产生的气体而引起内部高气压造成铝电解电容器的爆炸。为了消除铝电解电容器的爆炸,直径8毫米以上的铝电解电容器均设置了压力释放装置,这些压力释放装置在铝电解电容器内部的气压达到尚未使铝电解电容器爆炸的危险压力前动作,泄放出气体。随着铝电解电容器的压力释放装置的动作,铝电解电容器即宣告失效。

 

铝电解电容器压力释放装置(中间的十字)

 

图片关键词


 

电化学过程导致压力释放装置动作

铝电解电容器的漏电流就是电化学过程,前面已经详尽论述,不再赘述。电化学过程将产生气体,这些气体的聚积将造成铝电解电容器的内部气压上升,最终达到压力释放装置动作泄压。

 

温度过高导致压力释放装置动作

铝电解电容器温度过高可能是环境温度过高,如铝电解电容器附近有发热元件或整个电子装置就出在高温环境;

 

铝电解电容器温度过高的第二个原因是芯包温度过高。铝电解电容器芯包温度过高的根本原因是铝电解电容器流过过高的纹波电流。过高的纹波电流在铝电解电容器的ESR中产生过度的损耗而产生过度的发热使电解液沸腾产生大量气体使铝电解电容器内部压力及急剧升高时压力释放装置动作。

 

3、瞬时超温

 

通常铝电解电容器的芯包核心温度每降低10℃,其寿命将增大到原来的一倍。这个核心大致位于电容器的中心,是电容器内部最热的点。可是,当电容器升温接近其最大允许温度时,对于大多数型号电容器在125℃时,其电解液要受到电容器芯包的排挤(driven),导致电容器的ESR增大到原来的10倍。在这种作用下,瞬间超温或过电流可以使ESR永久性的增大,从而造成电容器失效。在高温和大纹波电流的应用中特别要警惕瞬时超温发生的可能,还要额外注意铝电解电容器的冷却。

 

4、瞬时过电压的产生

 

上电冲击

上电过程中,由于滤波电感释放储能到滤波电容器中,导致滤波电容器的过瞬时过电压。

 

 

*电容过电压失效的防范*

 

电容器在过压状态下容易被击穿,而实际应用中的瞬时高电压是经常出现的。

 

选择承受瞬时过电压性能好的铝电解电容器,RIFA有的铝电解电容器就给出了瞬时过电压值得参数。

 

图片关键词


 

 

5、电解液干涸是铝电解电容器失效的最主要原因

 

电解液干涸的原因

电解液自然挥发

电解液的消耗

 

电解液自然挥发

电解液的挥发速度随温度的升高

电解液的挥发速度与电容器的密封质量有关,无论在高温还是在低温条件下都要有良好的密封性

 

电解液的消耗

漏电流所引起的电化学效应消耗电解液

铝电解电容器的寿命随漏电流增加而减少

漏电流随温度的升高而增加:25℃时漏电流仅仅是85℃时漏电流的不到十分之一漏电流随施加电压升高而增加:耐压为400V的铝电解电容器在额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下的漏电流的5倍。

 

6、电解液干涸的时间就是铝电解电容器的寿命

 

影响铝电解电容器寿命的的因素(温度1)

根据铝电解电容器的电解液的不同,铝电解电容器的最高工作温度可分为:

一般用途:85℃

一般高温用途:105℃

特殊高温用途:125℃

汽车发动机舱:140~150℃

 

影响铝电解电容器寿命的的因素(额定寿命小时数)

按寿命小时数铝电解电容器可以分为:

一般用途(常温,3年以内):1000小时

一般用途(常温,希望比较长的时间):2000小时以上

工业级:更长的寿命小时数

 

影响铝电解电容器寿命的的因素(温度2)

温度每升高10℃,寿命小时数减半

 

影响铝电解电容器寿命的的因素(电解液)

电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命

 

影响铝电解电容器寿命的的因素(应用条件)

高温缩短铝电解电容器寿命

高纹波电流缩短铝电解电容器寿命

工作电压过高缩短铝电解电容器寿命