元器件的失效原因和故障檢查方法

時(shí)間：2024-12-27作者：武漢市鑫宇環(huán)檢測(cè)技術(shù)有限公司瀏覽：123

電子元器件在使用過程中，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*部分故障，究其較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)成的雙較型半導(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小;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)成雙較型半導(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：

式中：
ICQ：溫度T0C時(shí)的反向漏電流
ICQR：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：

式中：
PCM：較大允許功耗
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較大允許功耗下降。
 
?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)引起例如，電阻的熱噪聲增加，阻值偏離標(biāo)稱值，允許耗散概率下降等。打比方說，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流保護(hù)電路中，當(dāng)由于某種故障造成通過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，限制通過它的電流，達(dá)到對(duì)電路的保護(hù)。而故障排除后，通過它的電流減小，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)損耗過大而熱擊穿的情況。
環(huán) 境	主要效應(yīng)	引起的主要失效
高溫	熱老化	絕緣失效：電特性改變；
氧化	結(jié)構(gòu)失效：潤滑特性損失；
結(jié)構(gòu)改變化學(xué)反應(yīng)	結(jié)構(gòu)失效：機(jī)械應(yīng)力增加；活動(dòng)部件的磨損增加；
軟化、熔化和升華	
降低粘性/蒸發(fā)	
物理膨脹	
低溫	粘性增強(qiáng)和固化	潤滑特性損失
冰形成	電特性改變
碎裂	機(jī)械強(qiáng)度損失：裂紋，破裂
物理收縮	結(jié)構(gòu)失效：活動(dòng)部件磨損增加
 
?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。濕度過高也是引起漏電耦合的主要原因。而濕度過低又*產(chǎn)生靜電，所以環(huán)境的濕度應(yīng)控制在合理的水平。
 
?過高電壓導(dǎo)致失效：元件失效的重要因素之一就是過高電壓對(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。就拿電容器來說，其失效率正比于施加在電容兩端電壓的5次冪。對(duì)于集成電路來說，**過其較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較高耐壓值，**過該允許值，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，**過耐壓值會(huì)對(duì)元件有損傷，比如**過二極管、電容等，電壓**過元件的耐壓值會(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)線不應(yīng)有的接觸，會(huì)產(chǎn)生一些意象不到的后果。
 
可能引起的故障模式，及失效分析：
元器件	出現(xiàn)故障	可能原因

封裝破裂	EOS、過熱

EOS損壞	**過標(biāo)準(zhǔn)工作強(qiáng)度使用，潮濕或污染物入侵

機(jī)械性破裂	塑料封裝，金屬引線或管芯過熱而膨脹
半導(dǎo)體	器件內(nèi)部連線斷裂	EOS或熱沖擊

金屬導(dǎo)電部分損壞	芯片基地的結(jié)合失效，過熱

小丘形成	ESD，腐蝕，EOS，溫度
電阻	表面導(dǎo)體斷裂	機(jī)械或過熱沖擊
變值	過載應(yīng)用，在潮濕和高溫下工作
電容	電解電容電解液泄露	高溫，封裝缺陷
電容體破裂	過熱、EOS、電容體質(zhì)量不好
變值	由于高溫或老化而導(dǎo)致電解質(zhì)降級(jí)
線圈	開路故障	EOS、過熱

變色	焊接時(shí)或由高溫元器件傳來的熱量過大
印制電路板	脫層	焊接時(shí)或由高溫元器件輻射的熱量過大

起泡	高溫

?電阻失效分析：
 
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：
 
●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*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：
 
●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)，又或很大的機(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。
 
?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)境下較間邊緣飛弧;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**額定值等。
 
●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。
 
●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*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。
 
●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，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。
 
●容量為1mF 以上的一般電容器檢查?？捎萌f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*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**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。
 
●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。
 
●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所引起的，例如，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，由于流過線圈的電流**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：

●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)置于較小電阻擋(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。
 
●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*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?？梢允褂酶哳l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下較*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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