乾貨|電阻器和電解電容的失效機理分析

2020-07-18 15:51:46 admin 297

電子元器件的主要失效模式包括但不限於開路、短路、燒毀、爆炸、漏電、功能失效、電參數漂移、非穩定失效等。對於硬體工程師來講電子元器件失效是個非常麻煩的事情,比如某個半導體器件外表完好但實際上已經半失效或者全失效會在硬體電路調試上花費大把的時間,有時甚至炸機。

 

所以掌握各類電子元器件的實效機理與特性是硬體工程師比不可少的知識。下麵分類細敘一下各類電子元器件的失效模式與機理。

 

【電阻器失效模式與機理】

 

失效模式:各種失效的現象及其表現的形式。

 

失效機理:是導致失效的物理、化學、熱力學或其他過程。

 

1、電阻器的主要失效模式與失效機理為

 

1) 開路:主要失效機理為電阻膜燒毀或大面積脫落,基體斷裂,引線帽與電阻體脫落。

 

2) 阻值漂移超規範:電阻膜有缺陷或退化,基體有可動鈉離子,保護塗層不良。

 

3) 引線斷裂:電阻體焊接工藝缺陷,焊點污染,引線機械應力損傷。

 

4) 短路:銀的遷移,電暈放電。

 

2、失效模式占失效總比例表

 

(1) 線繞電阻

失效模式 占失效總比例

開路 90%

阻值漂移 2%

引線斷裂 7%

其他 1%

 

(2) 非線繞電阻

失效模式 占失效總比例

開路 49%

阻值漂移 22%

引線斷裂 17%

其他 7%

 

3、失效機理分析

 

電阻器失效機理是多方面的,工作條件或環境條件下所發生的各種理化過程是引起電阻器老化的原因。

 

图片关键词

(1) 導電材料的結構變化

(2) 硫化

(3) 氣體吸附與解吸

(4) 氧化

(5) 有機保護層的影響

(6) 機械損傷

 

 

 

【電解電容失效】

 

失效模式

 

1、耗盡失效

 

耗盡失效(1)

通常電解電容器壽命的終了評判依據是電容量下降到額定(初始值)的80%以下。由於早期鋁電解電容器的電解液充盈,鋁電解電容器的電容量在工作早期緩慢下降。隨著負荷過程中工作電解液不斷修補倍雜質損傷的陽極氧化膜所致電解液逐漸減少。到使用後期,由於電解液揮發而減少,粘稠度增大的電解液就難於充分接觸經腐蝕處理的粗糙的鋁箔表面上的氧化膜層,這樣就使鋁電解電容器的極板有效面積減小,即陽極、陰極鋁箔容量減少,引起電容量急劇下降。因此,可以認為鋁電解電容器的容量降低是由於電解液揮發造成。而造成電解液的揮發的最主要的原因就是高溫環境或發熱。

 

耗盡失效(2)

由於應用條件使鋁電解電容器發熱的原因是鋁電解電容器在工作在整流濾波(包括開關電源輸出的高頻整流濾波)、功率電爐的電源旁路時的紋波(或稱脈動)電流流過鋁電解電容器,在鋁電解電容器的ESR產生損耗並轉變成熱使其發熱。

 

當鋁電解電容器電解液蒸發較多、溶液變稠時,電阻率因粘稠度增大而上升,使工作電解質的等效串聯電阻增大,導致電容器損耗明顯上升,損耗角增大。例如對於105度工作溫度的電解電容器,其最大芯包溫度高於125度時,電解液粘稠度驟增,電解液的ESR增加近十倍。.增大的等效串聯電阻會產生更大熱量,造成電解液的更大揮發。如此循環往復,鋁電解電容器容量急劇下降,甚至會造成爆炸。

 

耗盡失效(3)

漏電流增加往往導致鋁電解電容器失效。

 

應用電壓過高和溫度過高都會引起漏電流的增加

 

2、壓力釋放裝置動作

 

壓力釋放裝置動作

為了防止鋁電解電容器中電解液由於內部高溫沸騰的氣體或電化學過程而產生的氣體而引起內部高氣壓造成鋁電解電容器的爆炸。為了消除鋁電解電容器的爆炸,直徑8毫米以上的鋁電解電容器均設置了壓力釋放裝置,這些壓力釋放裝置在鋁電解電容器內部的氣壓達到尚未使鋁電解電容器爆炸的危險壓力前動作,泄放出氣體。隨著鋁電解電容器的壓力釋放裝置的動作,鋁電解電容器即宣告失效。

 

鋁電解電容器壓力釋放裝置(中間的十字)

 

图片关键词


 

電化學過程導致壓力釋放裝置動作

鋁電解電容器的漏電流就是電化學過程,前面已經詳盡論述,不再贅述。電化學過程將產生氣體,這些氣體的聚積將造成鋁電解電容器的內部氣壓上升,最終達到壓力釋放裝置動作泄壓。

 

溫度過高導致壓力釋放裝置動作

鋁電解電容器溫度過高可能是環境溫度過高,如鋁電解電容器附近有發熱元件或整個電子裝置就出在高溫環境;

 

鋁電解電容器溫度過高的第二個原因是芯包溫度過高。鋁電解電容器芯包溫度過高的根本原因是鋁電解電容器流過過高的紋波電流。過高的紋波電流在鋁電解電容器的ESR中產生過度的損耗而產生過度的發熱使電解液沸騰產生大量氣體使鋁電解電容器內部壓力及急劇升高時壓力釋放裝置動作。

 

3、暫態超溫

 

通常鋁電解電容器的芯包核心溫度每降低10℃,其壽命將增大到原來的一倍。這個核心大致位於電容器的中心,是電容器內部最熱的點。可是,當電容器升溫接近其最大允許溫度時,對於大多數型號電容器在125℃時,其電解液要受到電容器芯包的排擠(driven),導致電容器的ESR增大到原來的10倍。在這種作用下,瞬間超溫或過電流可以使ESR永久性的增大,從而造成電容器失效。在高溫和大紋波電流的應用中特別要警惕暫態超溫發生的可能,還要額外注意鋁電解電容器的冷卻。

 

4、暫態過電壓的產生

 

上電衝擊

上電過程中,由於濾波電感釋放儲能到濾波電容器中,導致濾波電容器的過暫態過電壓。

 

 

*電容過電壓失效的防範*

 

電容器在過壓狀態下容易被擊穿,而實際應用中的暫態高電壓是經常出現的。

 

選擇承受暫態過電壓性能好的鋁電解電容器,RIFA有的鋁電解電容器就給出了暫態過電壓值得參數。

 

图片关键词


 

 

5、電解液乾涸是鋁電解電容器失效的最主要原因

 

電解液乾涸的原因

電解液自然揮發

電解液的消耗

 

電解液自然揮發

電解液的揮發速度隨溫度的升高

電解液的揮發速度與電容器的密封品質有關,無論在高溫還是在低溫條件下都要有良好的密封性

 

電解液的消耗

漏電流所引起的電化學效應消耗電解液

鋁電解電容器的壽命隨漏電流增加而減少

漏電流隨溫度的升高而增加:25℃時漏電流僅僅是85℃時漏電流的不到十分之一漏電流隨施加電壓升高而增加:耐壓為400V的鋁電解電容器在額定電壓下的漏電流大約是90%額定電壓下的漏電流的5倍。

 

6、電解液乾涸的時間就是鋁電解電容器的壽命

 

影響鋁電解電容器壽命的的因素(溫度1)

根據鋁電解電容器的電解液的不同,鋁電解電容器的最高工作溫度可分為:

一般用途:85℃

一般高溫用途:105℃

特殊高溫用途:125℃

汽車發動機艙:140~150℃

 

影響鋁電解電容器壽命的的因素(額定壽命小時數)

按壽命小時數鋁電解電容器可以分為:

一般用途(常溫,3年以內):1000小時

一般用途(常溫,希望比較長的時間):2000小時以上

工業級:更長的壽命小時數

 

影響鋁電解電容器壽命的的因素(溫度2)

溫度每升高10℃,壽命小時數減半

 

影響鋁電解電容器壽命的的因素(電解液)

電解液的多與寡決定鋁電解電容器的壽命

 

影響鋁電解電容器壽命的的因素(應用條件)

高溫縮短鋁電解電容器壽命

高紋波電流縮短鋁電解電容器壽命

工作電壓過高縮短鋁電解電容器壽命