元器件的失效原因及故障檢查方法，比較實(shí)用資料

導語(yǔ)
電子元器件在使用過(guò)程中，常常會(huì )出現失效。失效就意味著(zhù)電路可能出現故障，從而影響設備的正常工作。這里分析了常見(jiàn)元器件的失效原因和常見(jiàn)故障。
電子設備中大部分故障，究其最終原因都是由于電子元器件失效引起的。如果熟悉了元器件的失效原因，及時(shí)定位到元器件的故障原因，就能及時(shí)排除故障，讓設備正常運行。
溫度導致失效
元件失效的重要因素之一就是環(huán)境溫度對元器件的影響。
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溫度變化對半導體器件的影響
由于P-N結的正向壓降受溫度的影響較大，所以用P-N為基本單元構成的雙極型半導體邏輯元件（TTL、HTL等集成電路）的電壓傳輸特性和抗干擾度也與溫度有密切的關(guān)系。
當溫度升高時(shí)，P-N結的正向壓降減小，其開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)電平都將減小，這就使得元件的低電平抗干擾電壓容限隨溫度的升高而變??；高電平抗干擾電壓容限隨溫度的升高而增大，造成輸出電平偏移、波形失真、穩態(tài)失調，甚至熱擊穿。
構成雙極型半導體器件的基本單元P-N結對溫度的變化很敏感，當P-N結反向偏置時(shí)，由少數載流子形成的反向漏電流受溫度的變化影響，其關(guān)系為：

公式中：
ICQ：溫度T0C時(shí)的反向漏電流
IICQ：溫度TR℃時(shí)的反向漏電流
T-TR：溫度變化的絕對值
由上式可以看出，溫度每升高10℃，ICQ將增加一倍。這將造成晶體管放大器的工作點(diǎn)發(fā)生漂移、晶體管電流放大系數發(fā)生變化、特性曲線(xiàn)發(fā)生變化，動(dòng)態(tài)范圍變小。
溫度與允許功耗的關(guān)系如下：

公式中：
Pcm：最大允許功耗
Ta：使用環(huán)境溫度
Tj：晶體管的結溫度
Rja：結與環(huán)境之間的熱阻
由上式可以看出，溫度的升高將使晶體管的最大允許功耗下降。
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溫度變化對電阻的影響
對于電阻溫度變化的影響主要是在溫度升高的時(shí)候。溫度升高會(huì )引起電阻熱噪聲增加、阻值偏離標稱(chēng)值、允許耗散概率下降等現象。打比方說(shuō)，RXT系列的碳膜電阻在溫度升高到100℃時(shí)，允許的耗散概率僅為標稱(chēng)值的20%。
電阻的這一特性并不是只有壞處。比如，經(jīng)過(guò)特殊設計的電阻：PTC（正溫度系數熱敏電阻）和NTC（負溫度系數熱敏電阻），它們的阻值受溫度的影響很大，可以作為傳感器。對于PTC，當其溫度升高到某一閾值時(shí)，其電阻值會(huì )急劇增大。
利用這一特性，可將其用在電路板的過(guò)流保護電路中 —— 當由于某種故障造成通過(guò)它的電流增加到其閾值電流后，PTC的溫度急劇升高，同時(shí)，其電阻值變大，限制通過(guò)它的電流，達到對電路的保護。而故障排除后，通過(guò)它的電流減小，PTC的溫度恢復正常，同時(shí)其電阻值也恢復到其正常值。對于NTC，它的特點(diǎn)是其電阻值隨溫度的升高而減小。
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溫度變化對電容的影響
溫度變化將引起電容的到介質(zhì)損耗變化，從而影響其使用壽命。溫度每升高10℃時(shí)，電容器的壽命就降低50%，同時(shí)還引起阻容時(shí)間常數變化，甚至發(fā)生因介質(zhì)損耗過(guò)大而熱擊穿的情況。

濕度導致失效
元件失效的重要因素之一就是環(huán)境濕度對元器件的影響。濕度過(guò)高，當含有酸堿性的灰塵落到電路板上時(shí)，將腐蝕元器件的焊點(diǎn)與接線(xiàn)處，造成焊點(diǎn)脫落、接頭斷裂。濕度過(guò)高也是引起漏電耦合的主要原因。而濕度過(guò)低又容易產(chǎn)生靜電，所以環(huán)境的濕度應控制在合理的水平。
過(guò)高電壓導致失效
元件失效的重要因素之一就是過(guò)高電壓對元器件的影響。保證元器件正常工作的重要條件是施加在元器件上的電壓要保證穩定性。過(guò)高的電壓輕則會(huì )造成元器件的熱損耗增加，重則會(huì )造成元器件的電擊穿。就拿電容器來(lái)說(shuō)，其失效率正比于施加在電容兩端電壓的5次冪。對于集成電路來(lái)說(shuō)，超過(guò)其最大允許電壓值的電壓將造成器件的直接損壞。
電壓擊穿是指電子器件都有能承受的最高耐壓值，超過(guò)該允許值，器件存在失效風(fēng)險。主動(dòng)元件和被動(dòng)元件失效的表現形式稍有差別，但也都有電壓允許上限。晶體管元件都有耐壓值，超過(guò)耐壓值會(huì )對元件有損傷，比如超過(guò)二極管、電容等元件的耐壓值會(huì )導致它們擊穿，如果能量很大會(huì )導致熱擊穿，元件會(huì )報廢。
振動(dòng)、沖擊導致失效
元件失效的重要因素之一就是振動(dòng)、沖擊對元器件的影響。機械振動(dòng)與沖擊會(huì )使一些內部有缺陷的元件加速失效，造成災難性故障。機械振動(dòng)還會(huì )使焊點(diǎn)、壓線(xiàn)點(diǎn)發(fā)生松動(dòng)，導致接觸不良。若振動(dòng)導致導線(xiàn)發(fā)生不應有的接觸，會(huì )產(chǎn)生一些意想不到的后果。
可能引起的故障模式，及失效分析：

阻失效分析
電阻器、電位器的失效機理視類(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)：

• 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。

• 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。

• 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。

• 可變電阻器。接觸不良、焊接不良、接觸破裂或引線(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，很容易發(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，這種情況下電阻表面一般沒(méi)有明顯改變，在高壓電路中經(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90% ，在電視機中約占87%，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：

• 接觸壓力太小、應力松弛、滑動(dòng)接點(diǎn)偏離軌道或導電層、機械裝配不當，或者由于很大的機械負荷（如碰撞、跌落等）導致接觸變形等。

• 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。

• 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。
電容失效分析
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：

• 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??；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。

• 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)形成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)干涸或凍結；在機械應力作用下電解質(zhì)和電介質(zhì)之間瞬時(shí)開(kāi)路等。

• 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)揮發(fā)和變稠；電極發(fā)生電解腐蝕或化學(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。

• 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×1kW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。

• 容量為1mF以上的一般電容器檢查?？捎萌f(wàn)用表電阻擋（R×10kW）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。

• 容量為1mF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。

• 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。

電感和變壓器類(lèi)失效分析
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引起，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：

• 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×1W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×100W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。

• 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。如果次級電壓下降，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。

• 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，在維護和使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。