元器件的失效原因及故障檢查方法

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2022-03-18 02:30:50 11

電子元器件在使用過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)失效。失效就意味著電路可能出現(xiàn)故障，從而影響設(shè)備的正常工作。這里分析了常見元器件的失效原因和常見故障。

電子設(shè)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(shè)備正常運(yùn)行。

溫度導(dǎo)致失效

元件失效的重要因素之一就是環(huán)境溫度對(duì)元器件的影響。

溫度變化對(duì)半導(dǎo)體器件的影響

由于P-N結(jié)的正向壓降受溫度的影響較大，所以用P-N為基本單元構(gòu)成的雙極型半導(dǎo)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(dāng)溫度升高時(shí)，P-N結(jié)的正向壓降減小，其開門和關(guān)門電平都將減小，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(wěn)態(tài)失調(diào)，甚至熱擊穿。

構(gòu)成雙極型半導(dǎo)體器件的基本單元P-N結(jié)對(duì)溫度的變化很敏感，當(dāng)P-N結(jié)反向偏置時(shí)，由少數(shù)載流子形成的反向漏電流受溫度的變化影響，其關(guān)系為：

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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*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(shù)發(fā)生變化、特性曲線發(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：

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公式中：

Pcm：最大允許功耗
Ta：使用環(huán)境溫度
Tj：晶體管的結(jié)溫度
Rja：結(jié)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。

溫度變化對(duì)電阻的影響

對(duì)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(biāo)稱值、允許耗散概率下降等現(xiàn)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(biāo)稱值的20%。

電阻的這一特性并不是只有壞處。比如，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的電阻：PTC（正溫度系數(shù)熱敏電阻）和NTC（負(fù)溫度系數(shù)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(duì)于PTC，當(dāng)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(hù)電路中 —— 當(dāng)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(dá)到對(duì)電路的保護(hù)。而故障排除后，通過(guò)它的電流減小，PTC的溫度恢復(fù)正常，同時(shí)其電阻值也恢復(fù)到其正常值。對(duì)于NTC，它的特點(diǎn)是其電阻值隨溫度的升高而減小。

溫度變化對(duì)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(shù)變化，甚至發(fā)生因介質(zhì)損耗過(guò)大而熱擊穿的情況。

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濕度導(dǎo)致失效

元件失效的重要因素之一就是環(huán)境濕度對(duì)元器件的影響。濕度過(guò)高，當(dāng)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(yīng)控制在合理的水平。

過(guò)高電壓導(dǎo)致失效

元件失效的重要因素之一就是過(guò)高電壓對(duì)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(wěn)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(duì)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(xiǎn)。主動(dòng)元件和被動(dòng)元件失效的表現(xiàn)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(duì)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(dǎo)致它們擊穿，如果能量很大會(huì)導(dǎo)致熱擊穿，元件會(huì)報(bào)廢。

振動(dòng)、沖擊導(dǎo)致失效

元件失效的重要因素之一就是振動(dòng)、沖擊對(duì)元器件的影響。機(jī)械振動(dòng)與沖擊會(huì)使一些內(nèi)部有缺陷的元件加速失效，造成災(zāi)難性故障。機(jī)械振動(dòng)還會(huì)使焊點(diǎn)、壓線點(diǎn)發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致接觸不良。若振動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生不應(yīng)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：

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電阻失效分析

電阻器、電位器的失效機(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：

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。

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。

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。

可變電阻器。接觸不良、焊接不良、接觸破裂或引線脫落、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(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。

電阻燒壞常見有兩種現(xiàn)象，一種是電流過(guò)大使電阻發(fā)熱引起電阻燒壞，此時(shí)電阻表面可見焦糊狀，很容易發(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，這種情況下電阻表面一般沒(méi)有明顯改變，在高壓電路中經(jīng)常可發(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)90% ，在電視機(jī)中約占87%，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：

接觸壓力太小、應(yīng)力松弛、滑動(dòng)接點(diǎn)偏離軌道或?qū)щ妼印C(jī)械裝配不當(dāng)，或者由于很大的機(jī)械負(fù)荷（如碰撞、跌落等）導(dǎo)致接觸變形等。

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。

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(guò)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(guò)負(fù)荷，產(chǎn)生局部過(guò)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(guò)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(guò)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。

電容失效分析

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：

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?。辉跈C(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(guò)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。

開路

擊穿引起電極和引線絕緣；電解電容器陽(yáng)極引出箔被腐蝕斷（或機(jī)械折斷）；引出線與電極接觸點(diǎn)形成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(yáng)極引出金屬箔因腐蝕而導(dǎo)致開路；工作電解質(zhì)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)之間瞬時(shí)開路等。

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)揮發(fā)和變稠；電極發(fā)生電解腐蝕或化學(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(lái)；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(guò)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(lái)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(lái)，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。

電解電容器的檢查。將萬(wàn)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×1kW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(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(yán)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(cè)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(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(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*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(duì)于容量為1mF~20mF的電容器，有的數(shù)字萬(wàn)用表可以測(cè)量。

容量為1mF以下的電容器檢查。可以使用數(shù)字萬(wàn)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(méi)有帶電容測(cè)量功能的數(shù)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)，檢查它是否開路。

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。

電感和變壓器類失效分析

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引起，例如當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，由于流過(guò)線圈的電流超過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)重。

電感和變壓器類元件的故障檢查一般采用如下方法：

直流電阻測(cè)量法。用萬(wàn)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×1W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×100W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(shuō)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(wú)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。

通電檢查法。對(duì)電源變壓器可以通過(guò)通電檢查，看次級(jí)電壓是否下降。如果次級(jí)電壓下降，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。

儀器檢查法。可以使用高頻率Q表來(lái)測(cè)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(lái)去潮烘干。另外，調(diào)壓變壓器的各種碳刷或銅刷，在維護(hù)和使用不當(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)

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