常用的電子元器件失效機(jī)理與故障分析

電子元器件在使用過程中，常常會(huì)出現(xiàn)失效和故障，從而影響設(shè)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(shè)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(shí)通過直覺就可迅速的找出故障元件，有時(shí)只要通過簡(jiǎn)單的電阻、電壓測(cè)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(shè)備中使用的數(shù)量很大，并且是一種消耗功率的元件，由電阻器失效導(dǎo)致電子設(shè)備故障的比率比較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)約占15% 。電阻器的失效模式和原因與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)、使用條件等有密切關(guān)系。電阻器失效可分為兩大類，即致命失效和參數(shù)漂移失效?，F(xiàn)場(chǎng)使用統(tǒng)計(jì)表明，電阻器失效的85%~90% 屬于致命失效，如斷路、機(jī)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(dǎo)致失效。

電阻器電位器失效機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)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(zhì)污染、環(huán)氧膠不好、軸傾斜等。

電阻容易產(chǎn)生變質(zhì)和開路故障。電阻變質(zhì)后往往是阻值變大的漂移。電阻一般不進(jìn)行修理，而直接更換新電阻。線繞電阻當(dāng)電阻絲燒斷時(shí)，某些情況下可將燒斷處理重新焊接后使用。

電阻變質(zhì)多是由于散熱不良，過分潮濕或制造時(shí)產(chǎn)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(xiàn)象，一種是電流過大使電阻發(fā)熱引起電阻燒壞，此時(shí)電阻表面可見焦糊狀，很易發(fā)現(xiàn)。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(jīng)?？砂l(fā)現(xiàn)這種故障現(xiàn)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(shù)漂移、開路、短路、接觸不良、動(dòng)噪聲大，機(jī)械損傷等。但是實(shí)際數(shù)據(jù)表明：實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)使用之間主要的失效模式差異較大，實(shí)驗(yàn)室故障以參數(shù)漂移居多，而現(xiàn)場(chǎng)以接觸不良、開路居多。

電位器接觸不良的故障，在現(xiàn)場(chǎng)使用中普遍存在。如在電信設(shè)備中達(dá)9 0 % ，在電視機(jī)中約占8 7 %，故接觸不良對(duì)電位器是致命的薄弱環(huán)節(jié)。造成接觸不良的主要原因如下：

( 1 )接觸壓力太小、簧片應(yīng)力松弛、滑動(dòng)接點(diǎn)偏離軌道或?qū)щ妼?、機(jī)械裝配不當(dāng)，又或很大的機(jī)械負(fù)荷(如碰撞、跌落等)導(dǎo)致接觸簧片變形等。

(2 )導(dǎo)電層或接觸軌道因氧化、污染，而在接觸處形成各種不導(dǎo)電的膜層。

(3 )導(dǎo)電層或電阻合金線磨損或燒毀，致使滑動(dòng)點(diǎn)接觸不良。

電位器開路失效主要是由局部過熱或機(jī)械損傷造成的。例如，電位器的導(dǎo)電層或電阻合金線氧化、腐蝕、污染或者由于工藝不當(dāng)(如繞線不均勻，導(dǎo)電膜層厚薄不均勻等)所引起的過負(fù)荷，產(chǎn)生局部過熱，使電位器燒壞而開路;滑動(dòng)觸點(diǎn)表面不光滑，接觸壓力又過大，將使繞線嚴(yán)重磨損而斷開，導(dǎo)致開路;電位器選擇與使用不當(dāng)，或電子設(shè)備的故障危及電位器，使其處于過負(fù)荷或在較大的負(fù)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(xiàn)象主要有擊穿、開路、電參數(shù)退化、電解液泄漏及機(jī)械損壞等。導(dǎo)致這些故障的主要原因如下：

(1 )擊穿。介質(zhì)中存在疵點(diǎn)、缺陷、雜質(zhì)或?qū)щ婋x子;介質(zhì)材料的老化;電介質(zhì)的電化學(xué)擊穿;在高濕度或低氣壓環(huán)境下極間邊緣飛弧;在機(jī)械應(yīng)力作用下電介質(zhì)瞬時(shí)短路;金屬離子遷移形成導(dǎo)電溝道或邊緣飛弧放電;介質(zhì)材料內(nèi)部氣隙擊穿造成介質(zhì)電擊穿;介質(zhì)在制造過程中機(jī)械損傷;介質(zhì)材料分子結(jié)構(gòu)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(jī)械折斷);引出線與電極接觸點(diǎn)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(dǎo)致開路;工作電解質(zhì)的干涸或凍結(jié);在機(jī)械應(yīng)力作用下電解質(zhì)和電介質(zhì)之間的瞬時(shí)開路等。

(3 )電參數(shù)退化。潮濕與電介質(zhì)老化與熱分解;電極材料的金屬離子遷移;殘余應(yīng)力存在和變化;表面污染;材料的金屬化電極的自愈效應(yīng);工作電解質(zhì)的揮發(fā)和變稠;電極的電解腐蝕或化學(xué)腐蝕;引線和電極接觸電阻增加;雜質(zhì)和有害離子的影響。

由于實(shí)際電容器是在工作應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力的綜合作用下工作的，因而會(huì)產(chǎn)生一種或幾種失效模式和失效機(jī)理，還會(huì)有一種失效模式導(dǎo)致另外失效模式或失效機(jī)理的發(fā)生。例如，溫度應(yīng)力既可以促使表面氧化、加快老化的影響程度、加速電參數(shù)退化，又會(huì)促使電場(chǎng)強(qiáng)度下降，加速介質(zhì)擊穿的早日到來，而且這些應(yīng)力的影響程度還是時(shí)間的函數(shù)。因此，電容器的失效機(jī)理與產(chǎn)品的類型、材料的種類、結(jié)構(gòu)的差異、制造工藝及環(huán)境條件、工作應(yīng)力等諸因素等有密切關(guān)系。

電容器出現(xiàn)擊穿故障非常容易發(fā)現(xiàn)，但對(duì)于有多個(gè)元件并聯(lián)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(hào)和容量的電容與被檢測(cè)電容并聯(lián)，觀察電路功能是否恢復(fù)來實(shí)現(xiàn)。電容電參數(shù)變化的檢查較為麻煩，一般可按照下面方法進(jìn)行。

首先應(yīng)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(jù)電容器的不同情況用不同的方法進(jìn)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(cè)電解電容的容量及耐壓大小而定。測(cè)量容量小、耐壓高的電解電容，量程應(yīng)位于R ×10kW 擋;測(cè)量容量大、耐壓低的電解電容，量程應(yīng)位于R × 1 k W 擋。觀察充電電流的大小、放電時(shí)間長(zhǎng)短(表針退回的速度)及表針最后指示的阻值。

電解電容器質(zhì)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(shí)間長(zhǎng)，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(shí)間短，表針的退回速度快，說明容量小、質(zhì)量差。

③充電電流為零，表針不動(dòng)，說明電解電容器已經(jīng)失效。

④放電到最后，表針退回到終了時(shí)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(shí)指示的阻值小，說明絕緣性能差，漏電嚴(yán)重。

(2 )容量為1 mF 以上的一般電容器檢查。可用萬用表電阻擋(R × 1 0 k W)同極性多次測(cè)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(cè)電容的兩根引線碰一下，觀察表針是否有輕微的擺動(dòng)。對(duì)容量大的電容，表針擺動(dòng)明顯;對(duì)容量小的電容，表針擺動(dòng)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(duì)調(diào))，每碰一次都要觀察針是否有輕微的擺動(dòng)。如從第二次起每碰一次表針都擺動(dòng)一下，則說明此電容器有漏電。如接連幾次碰時(shí)表針均不動(dòng)，則說明電容器是好的。如果第一次相碰時(shí)表針就擺到終點(diǎn)，則說明電容器已經(jīng)被擊穿。另外，對(duì)于容量為1mF~20mF的電容器，有的數(shù)字萬用表可以測(cè)量。

(3 )容量為1 mF 以下的電容器檢查?？梢允褂脭?shù)字萬用表的電容測(cè)量擋較為準(zhǔn)確地測(cè)得電容器的實(shí)際數(shù)值。若沒有帶電容測(cè)量功能的數(shù)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(lián)，檢查它是否開路。

(4 )電容器參數(shù)的精確測(cè)量。單個(gè)電容器容量的精確測(cè)量可使用LCR 電橋，耐壓值的測(cè)量可采用晶體管特性測(cè)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(dāng)負(fù)載短路時(shí)，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(dāng)通風(fēng)不良、溫度過高或受潮時(shí)，亦會(huì)產(chǎn)生漏電或絕緣擊穿的現(xiàn)象。

對(duì)于變壓器的故障現(xiàn)象及原因，常見的有以下幾種：當(dāng)變壓器接通電源后，若鐵心發(fā)出嗡嗡的響聲，則故障原因可能是鐵心未夾緊或變壓器負(fù)載過重;發(fā)熱高、冒煙、有焦味或保險(xiǎn)絲燒斷，則可能是線圈短路或負(fù)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(cè)量法。用萬用表的電阻擋測(cè)電感類的元件的好壞。測(cè)天線線圈、振蕩線圈時(shí)，量程應(yīng)置于最小電阻擋(如R × 1 W 擋);測(cè)中周及輸出輸入變壓器時(shí)，量程應(yīng)放在低阻擋(R × 10W或R × 1 0 0 W 擋)，測(cè)得的阻值與維修資料或日常積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)照，如果很接近則表示被測(cè)元件是正常的;如果阻值比經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yīng)該注意的是，振蕩線圈、天線線圈及中周的次級(jí)電阻很小，只有零點(diǎn)幾歐姆，讀數(shù)時(shí)尤其要仔細(xì)，不要誤判斷為短路。用高阻擋(R ×10kW)測(cè)量初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間的電阻時(shí)，應(yīng)該是無窮大。如果初級(jí)、次級(jí)之間有一定的電阻值，則表示初級(jí)、次級(jí)之間有漏電。

(2 )通電檢查法。對(duì)電源變壓器可以通過通電檢查，看次級(jí)電壓是否下降，如果次級(jí)電壓則懷疑次級(jí)(或初級(jí))有局部短路。當(dāng)通電后出現(xiàn)變壓器迅速發(fā)燙或有燒焦味、冒煙等現(xiàn)象，則可判斷變壓器肯定有局部短路。

(3 )儀器檢查法。可以使用高頻率Q 表來測(cè)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(xiàn)象。用兆歐表則可以測(cè)量電源變壓器初、次級(jí)之間的絕緣電阻。若發(fā)現(xiàn)變壓器有漏電現(xiàn)象則可能是絕緣不良或受潮所引起的，此時(shí)可將變壓器拆下來去潮烘干。另外，調(diào)壓變壓器的各種碳刷或銅刷，在維護(hù)和所用不當(dāng)?shù)那闆r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(shí)要注意維護(hù)。

4 集成塊類

電極開路或時(shí)通時(shí)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(kuò)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(qiáng)度不夠，熱點(diǎn)應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力過大和電蝕等。電參數(shù)漂移主要原因是原材料缺陷、可移動(dòng)離子引起的反應(yīng)等。機(jī)械磨損和封裝裂縫主要由封裝工藝缺陷和環(huán)境應(yīng)力過大等造成。可焊接性差主要由引線材料缺陷、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(huán)境因素造成的。

綜上所述，我們可以知道，為了保證設(shè)備或系統(tǒng)能可靠地工作，對(duì)于電子元器件的可靠性要求就非常高。可靠性指標(biāo)已經(jīng)成為元器件的重要質(zhì)量指標(biāo)之一。了解了元器件的失效模式和失效機(jī)理，對(duì)于診斷設(shè)備故障，保持設(shè)備的可靠性是十分重要的