常用的電子元器件失效機理與故障分析

電子元器件在使用過(guò)程中，常常會(huì )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(jiàn)元器件的失效原因和常見(jiàn)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(lèi)型，有時(shí)通過(guò)直覺(jué)就可迅速的找出故障元件，有時(shí)只要通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻、電壓測量即可找出故障。

1 電阻器類(lèi)

電阻器類(lèi)元件包括電阻元件和可變電阻元件，固定電阻通常稱(chēng)為電阻，可變電阻通常稱(chēng)為電位器。電阻器類(lèi)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(chǎn)品的結構、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(lèi)，即致命失效和參數漂移失效?，F場(chǎng)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(lèi)型不同而不同。非線(xiàn)形電阻器和電位器主要失效模式為開(kāi)路、阻值漂移、引線(xiàn)機械損傷和接觸損壞;線(xiàn)繞電阻器和電位器主要失效模式為開(kāi)路、引線(xiàn)機械損傷和接觸損壞。主要有以下四類(lèi)：

(1 )碳膜電阻器。引線(xiàn)斷裂、基體缺陷、膜層均勻性差、膜層刻槽缺陷、膜材料與引線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)斷裂、電暈放電等。

(3 )線(xiàn)繞電阻器。接觸不良、電流腐蝕、引線(xiàn)不牢、線(xiàn)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(xiàn)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(kāi)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(xiàn)繞電阻當電阻絲燒斷時(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(guò)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(guò)載等原因所引起。電阻燒壞常見(jiàn)有兩種現象，一種是電流過(guò)大使電阻發(fā)熱引起電阻燒壞，此時(shí)電阻表面可見(jiàn)焦糊狀，很易發(fā)現。另一種情況是由于瞬間高壓加到電阻上引起電阻開(kāi)路或阻值變大，這種情況，電阻表面一般沒(méi)有明顯改變，在高壓電路經(jīng)?？砂l(fā)現這種故障現象的電阻。

可變電阻器或電位器主要有線(xiàn)繞和非線(xiàn)繞兩種。它們共同的失效模式有：參數漂移、開(kāi)路、短路、接觸不良、動(dòng)噪聲大，機械損傷等。但是實(shí)際數據表明：實(shí)驗室試驗與現場(chǎng)使用之間主要的失效模式差異較大，實(shí)驗室故障以參數漂移居多，而現場(chǎng)以接觸不良、開(kāi)路居多。

電位器接觸不良的故障，在現場(chǎng)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(huán)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(dòng)接點(diǎn)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(xiàn)磨損或燒毀，致使滑動(dòng)點(diǎn)接觸不良。

電位器開(kāi)路失效主要是由局部過(guò)熱或機械損傷造成的。例如，電位器的導電層或電阻合金線(xiàn)氧化、腐蝕、污染或者由于工藝不當(如繞線(xiàn)不均勻，導電膜層厚薄不均勻等)所引起的過(guò)負荷，產(chǎn)生局部過(guò)熱，使電位器燒壞而開(kāi)路;滑動(dòng)觸點(diǎn)表面不光滑，接觸壓力又過(guò)大，將使繞線(xiàn)嚴重磨損而斷開(kāi)，導致開(kāi)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(guò)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(lèi)

電容器常見(jiàn)的故障現象主要有擊穿、開(kāi)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(zhì)中存在疵點(diǎn)、缺陷、雜質(zhì)或導電離子;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;在機械應力作用下電介質(zhì)瞬時(shí)短路;金屬離子遷移形成導電溝道或邊緣飛弧放電;介質(zhì)材料內部氣隙擊穿造成介質(zhì)電擊穿;介質(zhì)在制造過(guò)程中機械損傷;介質(zhì)材料分子結構的改變以及外加電壓高于額定值等。

(2 )開(kāi)路。擊穿引起電極和引線(xiàn)絕緣;電解電容器陽(yáng)極引出箔被腐蝕斷(或機械折斷);引出線(xiàn)與電極接觸點(diǎn)氧化層而造成低電平開(kāi)路;引出線(xiàn)與電極接觸不良或絕緣;電解電容器陽(yáng)極引出金屬箔因腐蝕而導致開(kāi)路;工作電解質(zhì)的干涸或凍結;在機械應力作用下電解質(zhì)和電介質(zhì)之間的瞬時(shí)開(kāi)路等。

(3 )電參數退化。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(zhì)的揮發(fā)和變稠;電極的電解腐蝕或化學(xué)腐蝕;引線(xiàn)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力和環(huán)境應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理，還會(huì )有一種失效模式導致另外失效模式或失效機理的發(fā)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(huì )促使電場(chǎng)強度下降，加速介質(zhì)擊穿的早日到來(lái)，而且這些應力的影響程度還是時(shí)間的函數。因此，電容器的失效機理與產(chǎn)品的類(lèi)型、材料的種類(lèi)、結構的差異、制造工藝及環(huán)境條件、工作應力等諸因素等有密切關(guān)系。

電容器出現擊穿故障非常容易發(fā)現，但對于有多個(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(kāi)路故障的確定可通過(guò)將相同型號和容量的電容與被檢測電容并聯(lián)，觀(guān)察電路功能是否恢復來(lái)實(shí)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(jìn)行。

首先應將電容器的其中一條引線(xiàn)從電路板上燙下來(lái)，以避免周?chē)挠绊?。其次根據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(wàn)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(guān)察充電電流的大小、放電時(shí)間長(cháng)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(cháng)，表針的退回速度慢，說(shuō)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(shuō)明容量小、質(zhì)量差。

③充電電流為零，表針不動(dòng)，說(shuō)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(shuō)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(shuō)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(wàn)用表電阻擋(R × 1 0 k W)同極性多次測量法來(lái)檢查漏電程度及是否擊穿。將萬(wàn)用表的兩根表筆與被測電容的兩根引線(xiàn)碰一下，觀(guān)察表針是否有輕微的擺動(dòng)。對容量大的電容，表針擺動(dòng)明顯;對容量小的電容，表針擺動(dòng)不明顯。緊接著(zhù)用表筆再次、三次、四次碰電容器的引線(xiàn)(表筆不對調)，每碰一次都要觀(guān)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(shuō)明此電容器有漏電。如接連幾次碰時(shí)表針均不動(dòng)，則說(shuō)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(shuō)明電容器已經(jīng)被擊穿。另外，對于容量為1mF~20mF的電容器，有的數字萬(wàn)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(wàn)用表的電容測量擋較為準確地測得電容器的實(shí)際數值。若沒(méi)有帶電容測量功能的數字萬(wàn)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(kāi)路。

(4 )電容器參數的精確測量。單個(gè)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(lèi)

此類(lèi)元件包括電感、變壓器、振蕩線(xiàn)圈、濾波線(xiàn)圈等。其故障多由于外界原因所引起的，例如，當負載短路時(shí)，由于流過(guò)線(xiàn)圈的電流超過(guò)額定值，變壓器溫度升高，造成線(xiàn)圈短路、斷路或絕緣擊穿。當通風(fēng)不良、溫度過(guò)高或受潮時(shí)，亦會(huì )產(chǎn)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(jiàn)的有以下幾種：當變壓器接通電源后，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載過(guò)重;發(fā)熱高、冒煙、有焦味或保險絲燒斷，則可能是線(xiàn)圈短路或負載過(guò)重。

電感和變壓器類(lèi)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(wàn)用表的電阻擋測電感類(lèi)的元件的好壞。測天線(xiàn)線(xiàn)圈、振蕩線(xiàn)圈時(shí)，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(shí)，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(jīng)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(jīng)驗數據小許多，表明線(xiàn)圈有局部短路;如果表針指示值為零，則說(shuō)明線(xiàn)圈短路。應該注意的是，振蕩線(xiàn)圈、天線(xiàn)線(xiàn)圈及中周的次級電阻很小，只有零點(diǎn)幾歐姆，讀數時(shí)尤其要仔細，不要誤判斷為短路。用高阻擋(R ×10kW)測量初級線(xiàn)圈與次級線(xiàn)圈之間的電阻時(shí)，應該是無(wú)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(guò)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(fā)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(lái)測量電感量及其Q 值，也可以用電感短路儀來(lái)判斷低頻率線(xiàn)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(fā)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(shí)可將變壓器拆下來(lái)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(xiàn)圈燒毀而燒毀變壓器，因此平時(shí)要注意維護。

4 集成塊類(lèi)

電極開(kāi)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(wèn)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(lái)異物等。引線(xiàn)折斷主要原因有線(xiàn)徑不均，引線(xiàn)強度不夠，熱點(diǎn)應力和機械應力過(guò)大和電蝕等。電參數漂移主要原因是原材料缺陷、可移動(dòng)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(huán)境應力過(guò)大等造成?？珊附有圆钪饕梢€(xiàn)材料缺陷、引線(xiàn)金屬鍍層不良、引線(xiàn)表面污染、腐蝕和氧化造成。無(wú)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?jīng)成為元器件的重要質(zhì)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