電路板及電子元件火災危險性研究

呂 忠，陽世群，高 鵬

(應急管理部四川消防研究所，四川 成都 610036)

0 引言

電路板[1]是現(xiàn)代家用電器中不可或缺的重要部件，特別是近年來隨著智能家居概念的提出，電路板作為無線通信、智能控制、交直變換[2-4]等的主要載體，更為廣泛地應用到家用電器中。家庭中常見的筆記本、電視、空調(diào)等電器設備內(nèi)部均由電路板進行控制。由于電路板內(nèi)部銅箔、焊盤和電子元件在工作時均存在電壓和電流，如果電路板設計不合理以及電子元件內(nèi)部存在缺陷等，極易引發(fā)局部過熱及電弧，部分電子元件甚至發(fā)生爆炸燃燒，進而引發(fā)電氣設備火災。

現(xiàn)階段針對電氣故障引發(fā)火災的研究主要集中于220 V交流電氣線路[5]，對電路板的火災危險性研究尚不夠深入，主要集中在單一電子元件。張穎等[6-7]研究了金屬膜電阻和電容的火災危險性，以及鋁電解電容火災危險性和痕跡特征。針對現(xiàn)有研究的不足，筆者介紹現(xiàn)階段各類典型電子元件的工作原理，分析各類電子元件的火災危險性，并在此基礎上研究電路板火災隱患，為預防電路板火災事故提供依據(jù)。

1 電子元件火災危險性

在電路板中電阻器、電容器、電感器、晶體管等應用最為廣泛，以下針對上述電子元件進行分析。

1.1 電阻器

電阻器是在電路中產(chǎn)生阻礙電流作用的元件，在電路板中金屬膜電阻迄今為止應用較為廣泛，如圖1所示。金屬膜電阻是采用高溫真空鍍膜技術(shù)，將鎳鉻或類似的合金緊密附在瓷棒表面形成皮膜，經(jīng)過切割調(diào)試阻值，以達到最終要求的精密阻值，然后加適當接頭切割，并在其表面涂上環(huán)氧樹脂密封保護而成。根據(jù)金屬膜電阻的工作原理和材質(zhì)，其火災危險主要為高溫過熱和擊穿電弧。

高溫過熱主要是由于在電阻選型過程中，電阻額定功率選擇較小或者電路中長期處于過負載運行，根據(jù)焦耳定律，導致電阻自身產(chǎn)生的熱量較大，造成局部高溫過熱。擊穿電弧主要是由于電阻兩端實際電壓遠遠超過電阻本身的耐壓值，擊穿電阻產(chǎn)生放電電弧。

圖1 金屬膜電阻

1.2 電容器

電容器是一種容納電荷的器件，在電子領(lǐng)域應用廣泛，主要用于電路中的隔直通交、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)換、控制等方面。根據(jù)電容的容量、材質(zhì)以及制作工藝可將電容分為鋁電解電容、鉭電解電容、陶瓷電容等，如圖2～圖4所示。以鋁電解電容為例，電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要為正極鋁箔、負極(浸潤電解液的紙)、正負極引線。不同類型的電容運用到不同電路板中，是電路板中不可或缺的電子元件。相較于電阻，電容是一種儲能型元件，在通電情況下存儲部分電能(存儲電能的大小由自身容量及電壓決定)。同時，一般電容的接線需區(qū)分正負極(獨石電容、陶瓷電容等無極性，無需區(qū)分正負極)，因此，電容的火災危險性較大。

圖3 鉭電解電容

圖4 陶瓷電容

電解電容一般不會直接燒毀，產(chǎn)生火災危險的主要故障是爆炸和放電，一般情況下兩種故障是繼發(fā)形成的。引發(fā)故障主要是因為紋波電流過大導致電容溫度升高，溫度升高以后電容內(nèi)部壓力增大，內(nèi)部壓力超過安全值時會把防爆閥沖開，電解液流出，電解液能導電，遇到高壓會形成電流甚至放電。電容只有在發(fā)熱內(nèi)部壓力突然增大時才會爆炸燒毀(有防爆閥的電容，防爆閥會撐開漏液，不會爆炸)，電容短路放電的時間很短，短時間的短路電流導致的熱量不足以讓電容發(fā)熱爆炸。在高電壓的作用下，電容先鼓肚，最后爆裂燃燒，因為電容擊穿，整流橋過電流、燒損，歷時小于10 s。

電容器因故障損壞進而發(fā)生爆炸的主要原因是：(1)由于制造質(zhì)量差等原因，電容器的內(nèi)部元件擊穿。(2)由于套管密封不良而進入潮氣，降低了絕緣電阻；由于滲、漏油，油面下降，導致對外殼放電或元件擊穿。(3)內(nèi)部游離和鼓肚。當電容器內(nèi)部產(chǎn)生電暈、擊穿放電和嚴重游離時，電容器在過電壓作用下，會產(chǎn)生一系列物理、化學、電氣效應，加速絕緣老化、分解而產(chǎn)生氣體，形成惡性循環(huán)，以致箱殼壓力增大，造成箱壁外鼓進而導致爆炸。(4)絕緣損壞，尤其是高壓側(cè)引出線制造工藝不良、邊緣不平、有毛刺或嚴重變折時，尖端容易產(chǎn)生電暈，電暈使油分解、箱殼膨脹、油面下降而造成元件擊穿。此外，在封蓋時如果轉(zhuǎn)角處燒焊時間過長，破壞了內(nèi)部絕緣，降低了擊穿電壓，也易導致電容器損壞，進而引起爆炸事故。(5)當進行帶電合閘時，在合閘的瞬間，電壓極性可能與電容器殘留電荷的極性相反，因而引起爆炸。(6)通風不良、溫升過高、嚴重過電壓和電壓諧波分量大，也會引起爆炸。

1.3 電感器

電感器是能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲起來的電子元件，見圖5和圖6。電感器有密封式和非密封式兩種封裝形式，兩種形式又都有立式和臥式兩種外形結(jié)構(gòu)。電感器在電子電路中應用廣泛，主要用于通直阻交，對交流信號進行隔離，濾波或與電容器、電阻器等組成諧振電路。電感器一般由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、鐵芯(或磁芯)等組成，其中繞組和鐵芯是電感的基本組成部分。根據(jù)電感器的使用條件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其火災危險主要是電感線圈發(fā)熱產(chǎn)生的局部高溫。

電感器產(chǎn)生局部高溫主要是由于電感器在通電情況下自身產(chǎn)生的能量損耗過大，電感器的損耗主要分為銅耗(copper loss)和鐵耗(core loss)兩個部分。銅耗是電流流過線圈電阻后產(chǎn)生的損耗，該部分損耗主要由自身電阻和電流大小決定，由銅耗引起的異常發(fā)熱主要是由于電流過大和自身電阻過大。因此，在使用過程中線圈內(nèi)部浸漆不足引發(fā)匝間短路、長期過負荷運行、線圈制作工藝不足導致電阻增大等原因均會引起局部過熱。鐵耗是由磁滯損耗和渦流損耗組成，由于磁材料間絕緣阻抗很大，因此渦流損耗可以忽略不計。鐵耗主要是磁滯損耗，磁滯損耗是由于線圈經(jīng)過交流電時，交變電場產(chǎn)生的磁通是在鐵芯(或磁芯)上流動的，鐵芯(或磁芯)對磁通具有磁阻，就像導體對電流有電阻一樣會產(chǎn)生熱量損耗。Steinmetz磁滯損耗計算的經(jīng)驗公式[8]為：

圖5 阻流電感器

圖6 環(huán)形電感器

(1)

式中，f為工作頻率；Bm為磁滯回線上磁感應強度的最大值；K1為取決于材料性質(zhì)及其他有關(guān)因素的常數(shù)；η為施泰因梅茨系數(shù)，η值約在1.5～2.5之間。

從經(jīng)驗公式可以得出，鐵耗主要是由電感材料及電流的工作頻率大小決定，由鐵耗引起的異常發(fā)熱主要是由于電流頻率遠大于電感額定工作頻率以及鐵芯材料制作工藝不足。

1.4 晶體管

晶體管是導電性介于良導電體與絕緣體之間，利用晶體管材料特殊電特性來完成特定功能的電子元件，可用來產(chǎn)生、控制、接收、變換、放大信號和進行能量轉(zhuǎn)換。現(xiàn)階段使用較為廣泛的晶體管元件主要有晶體二極管、晶體三極管(雙極型晶體管)、場效應晶體管、晶閘管等，如圖7～圖10所示。每種晶體管又根據(jù)制作工藝、適用范圍等分為若干種類。由于材料和使用條件的特點，一般來說由晶體管元件產(chǎn)生的火災危險主要分為局部高溫和爆炸。

圖7 二極管

圖8 三極管

圖9 場效應晶體管

圖10 晶閘管

晶體管元件產(chǎn)生局部高溫的主要原因為耗散功率過大，耗散功率與晶體管的最高允許結(jié)溫和集電極最大電流有密切關(guān)系。硅管的結(jié)溫允許值大約為150 ℃，鍺管的結(jié)溫允許值為85 ℃左右。當晶體管產(chǎn)生的結(jié)溫超過其允許溫度時，晶體管內(nèi)部將因過載而產(chǎn)生損壞，進而導致繼生故障。產(chǎn)生耗散功率過大主要是由于電路板設計不合理或者晶體管選型不合理，導致其長期處于過負載運行。晶體管元件產(chǎn)生爆炸的主要原因為晶體管在過壓、浪涌電流、反向連接等條件下，產(chǎn)生瞬時高溫或電弧，造成擊穿。

2 電路板火災隱患

由于各類電路板使用功能和設計原理有所不同，因此，電路板火災隱患分析相較于電子元件更為復雜。電路板存在的火災隱患主要包括以下幾個方面：

2.1 電路板中元件質(zhì)量缺陷

在電路板中，如果元件存在質(zhì)量缺陷，即使在額定范圍內(nèi)使用，也會造成元件失效或發(fā)熱異常。使用劣質(zhì)元件更易發(fā)生擊穿，甚至導致電路板發(fā)生短路引發(fā)火災。

2.2 電路板中存在虛焊、焊錯、焊反

虛焊直接導致焊盤和元件引腳之間接觸不良，引起接觸電阻過大或產(chǎn)生電弧，造成局部高溫，長時間運行增加火災隱患。焊錯是元件焊接錯誤，導致元件無法工作甚至直接短路，引發(fā)火災。焊反是將帶有極性的元件引腳焊反，特別是有極性的電容，焊反通電后直接引發(fā)電容爆炸，火災危險性極高。

2.3 電路板設計不合理

電路板設計不合理主要包括電路板元器件選型不合理和排布不合理。選型不合理主要是選擇額定容量和額定耐壓遠小于實際工作電壓，導致元件長期處于過負荷運行，增加火災隱患。排布不合理主要是元件排布時未考慮元件的發(fā)熱量，將發(fā)熱量大的元件排布在同一區(qū)域，造成該區(qū)域長期處于局部高溫狀態(tài)，增加火災隱患。同時，排布不合理還表現(xiàn)在銅箔走線寬度過窄，導致銅箔長期處于過電流狀態(tài)。

2.4 電路板使用環(huán)境惡劣

電路板長期處于化學、震動、高塵、鹽霧、潮濕與高溫等環(huán)境下工作，易產(chǎn)生腐蝕、軟化、變形、霉變等問題，導致電路出現(xiàn)短路、接觸不良和絕緣擊穿等故障，增加電路板火災危險性。

2.5 電路板老化

電路板長期通電工作，超過設計壽命，電路板上的一些元件參數(shù)會隨著使用時間的改變而發(fā)生變化，可能導致部分元件自身發(fā)熱增加，甚至是失效短路，增大電路板火災危險性。

2.6 供電質(zhì)量惡劣

外部供電長期出現(xiàn)過壓、欠壓、浪涌電流時，超過電路板額定工作范圍，會加速電路板元件的損害，嚴重時會造成短路擊穿等故障，引發(fā)電路板火災。

3 充電器電路板引發(fā)火災的原因

不同功能不同類型的電路板，其設計原理也不盡相同，所以針對某一類電路板，需要結(jié)合其線路結(jié)構(gòu)和使用功能具體分析其火災隱患。以下以常見的充電器電路板為例，介紹其工作原理并分析其引發(fā)火災的原因。

隨著電動自行車的大規(guī)模使用，其火災事故也與日俱增，而我國80%以上的電動車火災發(fā)生在充電過程中[9]。這一方面是由于電池質(zhì)量存在缺陷，另一方面是由于使用劣質(zhì)充電器充電。使用劣質(zhì)充電器充電主要存在兩大隱患，首先劣質(zhì)充電器由于輸出電壓和電流不滿足標準，導致電池出現(xiàn)過充引發(fā)火災；其次劣質(zhì)充電器在充電時發(fā)熱過高，自身引發(fā)火災。

3.1 充電器電路板工作原理

充電電路本質(zhì)上是將220 V交流電通過整流濾波電路轉(zhuǎn)換為可供電池充電的直流電，現(xiàn)在普遍使用的是三段式充電方案，即恒流充電、恒壓充電、浮充充電。充電器電路板的主要元件包括整流橋、電流控制型脈寬調(diào)制芯片、晶閘管、運算放大器、可調(diào)電阻、光耦合器、變壓器等，如圖11所示。其工作原理為：首先將220 V交流電通過整流橋轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡黄浯谓?jīng)過變壓器降壓到可供電池充電的電壓范圍；再次利用運算放大比較電路比較充電電壓與電池電壓的壓差，通過光耦合器反饋至一次側(cè)，由電流控制型脈寬調(diào)制芯片調(diào)節(jié)輸出電壓，最終達到三段式智能充電的目的。

圖11 充電器電路板

3.2 充電器電路板引發(fā)火災的原因

根據(jù)充電器電路板的線路結(jié)構(gòu)，充電器電路板可能引發(fā)火災的原因有以下幾點：

3.2.1 電路板散熱不良。電路板在正常工作時，特別是前期恒流充電，充電電流較大，導致晶閘管和三極管產(chǎn)生的熱量較大，如果不及時排出熱量，會造成該類型元件產(chǎn)生局部高溫，嚴重時引發(fā)火災。造成電路板散熱不良的原因主要有散熱風扇未正常工作、晶體管背部散熱片與晶體管分離、充電器排風口有遮擋等。

3.2.2 光耦合器失效。光耦合器是充電電路中反饋電路的重要一環(huán)，一旦出現(xiàn)故障，無法及時反饋充電電池的電壓，導致電路板長期處于恒流充電階段，最終充電電池出現(xiàn)過充故障，引發(fā)電池燃燒，造成火災事故。

3.2.3 可調(diào)電阻松動?？烧{(diào)電阻在充電線路中的作用是通過調(diào)節(jié)電阻改變輸出電壓值，在充電器出廠時已經(jīng)根據(jù)額定輸出電壓調(diào)節(jié)完成。在日常使用中，電路板產(chǎn)生振動、碰撞或其他機械運動均可能導致可調(diào)電阻偏移，如果可調(diào)電阻出現(xiàn)偏移，可能會導致輸出電壓偏高，造成過壓充電故障，引發(fā)電池燃燒，造成火災事故。

4 結(jié)語

本文通過對各類常見電子元件的結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析，總結(jié)了各類電子元件的火災危險性。同時，分析了電路板存在的共性火災隱患，并以常見的充電器電路板為例，結(jié)合該類型電路板的結(jié)構(gòu)和工作原理，探討其引發(fā)火災的原因，為分析其他電路板提供參考。