從某電容器多起失效著手分析并改進器件選型實例

魏一鳴 杜轍 肖衛(wèi)鎮(zhèn)

【摘 要】文章針對某設(shè)備使用的型號為CWR09NK475KRB電容器出現(xiàn)多起非相同批次失效事件，通過故障樹分析法對電容器失效的故障根源進行分析，確定了失效的根本原因，最終對電路器件選型進行了改進。

【關(guān)鍵詞】電容器;可靠性;降額余量;可靠性;失效模式;故障樹

【中圖分類號】TM53 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0096-03

0 前言

隨著電子設(shè)備的快速發(fā)展，其可靠性問題引起人們越來越多的關(guān)注。電容器作為基本電子元件，在電路中具有隔直流通交流的作用，廣泛應(yīng)用于隔直耦合、去耦、旁濾、濾波、諧振、震蕩控制等場合[1]。雖然電容器是功能最簡單、最基礎(chǔ)的電子元器件，但是它在電路中承擔(dān)重要作用，因此電容器的失效有可能造成整個電子設(shè)備功能異常甚至功能喪失，造成的損失更是不可估量。本研究結(jié)合某設(shè)備使用的電容器多起失效事例，使用故障樹分析方法對電容器失效原因進行深入的分析，最終從電容器選型降額余量入手做出及時更改，提高了電路可靠性，有效減少失效的發(fā)生。

1 問題概述

在某電源電路中使用了型號為CWR09NK475KRB（符合美軍標MIL-PRF-55365規(guī)范）的電容器，接連發(fā)生多起短路失效故障。故障模式相同且造成多起整機設(shè)備故障的嚴重后果。

2 問題分析與定位

（1）失效情況。該電容器使用在某DC-DC升壓電路應(yīng)用中，電路原理圖如圖1所示。VST電壓為該升壓電路供電，輸出36 V電壓。升壓電路主要由電感器L3、脈沖調(diào)節(jié)器N5、二極管V7和濾波電容C49等器件構(gòu)成。正常工作時，脈沖調(diào)節(jié)器N5內(nèi)部開關(guān)管處于高頻變換狀態(tài)，控制電感器L3能量的存儲與釋放，感應(yīng)電動勢與輸入電壓VST疊加實現(xiàn)升壓。電阻器R100、R106、R68實現(xiàn)輸出電壓負反饋，調(diào)整N5內(nèi)部開關(guān)管驅(qū)動脈沖的寬度，維持36 V電壓輸出穩(wěn)定。電容器C49是36 V電壓的濾波電容，用作提升36 V輸出電壓品質(zhì)。在實際應(yīng)用過程中發(fā)生多起電容器C49短路故障，導(dǎo)致輸入端過功率保護，電路無法正常工作。

（2）故障樹分析。故障樹是用已表明的故障或外界事件或它們的組合將導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生一種給定故障的邏輯推理圖，故障樹的構(gòu)圖元素是事件和邏輯門，通過邏輯門將事件相互聯(lián)系起來。故障樹可以幫助使用者判斷可能發(fā)生的故障模式和原因，發(fā)現(xiàn)可靠性和安全性的薄弱環(huán)節(jié)，采取改進措施。當(dāng)發(fā)生重大故障后，故障樹分析法是故障調(diào)查的一種有效手段，可以系統(tǒng)而全面地分析故障原因，為清除故障提供支持。

針對有可能造成電容器C49開路的原因，列出故障樹，用故障樹分析法對系統(tǒng)可靠性進行分析[2]，如圖2所示。下面逐層進行分析。

第一層（A層），A1、A2中只要有一個條件存在，就會造成電容器失效。

A1：外部因素。該電容器應(yīng)用在DC-DC升壓電路中，在實際環(huán)境下會受到各種外部應(yīng)力干擾或者沖擊，例如外部碰撞、過熱環(huán)境、電沖擊等，應(yīng)力干擾或者沖擊均會對電容器造成間接或者直接損傷，甚至失效。同時，電路設(shè)計不合理有可能造成電容器長期工作在異常狀態(tài)，大大縮短電容器壽命。

A2：自身失效。該電容器不排除在制造過程中引入缺陷[3]，可能是某批次電容器沒有完全達到合格標準，或者其生產(chǎn)加工方式本身不完善，導(dǎo)致電容器的出廠狀態(tài)就是不合格狀態(tài)，存在生產(chǎn)過程引入的瑕疵，當(dāng)電容器應(yīng)用在實際電路后，經(jīng)過一段時間的使用，電容器失效。

綜上，電容器的失效已進行了兩個方向的分解，繼而應(yīng)從A1和A2兩個方向繼續(xù)深入查找原因，因此將A1和A2下屬的各種可能的失效因素進行枚舉，列出故障樹第二層（X層），X1、X2、X3、X4、X5、X6這6個底事件只要有任意一個或者多個發(fā)生，就會造成電容器失效。接下來對6個底事件進行逐一分析。

X1：機械應(yīng)力。因電容器生產(chǎn)介質(zhì)材料硬、脆的特性，電容器容易受機械應(yīng)力的影響，當(dāng)其彎曲形變超過其承受范圍時，極易產(chǎn)生破裂失效。在生產(chǎn)加工過程中，元器件貼裝焊接、單板分板切割、螺釘安裝、插件安裝、單板流轉(zhuǎn)等環(huán)節(jié)都會引入機械應(yīng)力[1]。檢查失效器件外觀形態(tài)正常，所有失效過的C49電容器均無外界機械外力損傷痕跡。該DC-DC升壓電路應(yīng)用的產(chǎn)品由金屬機箱裝載，自產(chǎn)品交付用戶使用后不存在機箱開蓋的情況。檢查機箱內(nèi)部，并無安裝沖突、頂撞，機箱內(nèi)未曾發(fā)現(xiàn)過多余物。依據(jù)產(chǎn)品實際使用環(huán)境，可以排除X1事件：機械應(yīng)力。

X2：熱應(yīng)力。CWR09系列電容器是在高溫下燒結(jié)而成，耐高溫，但介質(zhì)材料耐熱沖擊性能較差，當(dāng)外界環(huán)境溫度沖擊或電容器內(nèi)存在溫度梯度，會使電容器受熱不均，各部分膨脹幅度不同，從而產(chǎn)生破壞性熱應(yīng)力[1]。熱應(yīng)力失效一般是由于產(chǎn)品的損耗太大導(dǎo)致失衡，熱量分布不均勻，局部熱量較大，導(dǎo)致熱破壞[4]。需要驗證電容器耐焊接熱能力和評估生產(chǎn)過程中是否存在引入熱沖擊的風(fēng)險，如烙鐵高溫、SMT爐溫不穩(wěn)定、SMT爐溫曲線變化速率過快等[5]。查詢CWR09系列電容器的元器件手冊，明確標注適用環(huán)境為-55～+125 ℃。查詢該電容器所屬產(chǎn)品的出廠前高低溫環(huán)境試驗范圍為-55～+70 ℃，該產(chǎn)品使用在國內(nèi)自然環(huán)境中，不存在超出-55～+70 ℃的自然氣候環(huán)境。再查產(chǎn)品內(nèi)C49電容器的布局環(huán)境，周圍不存在大功率或散熱量極大元器件，所有C49電容器的失效故障均為自身失效，并無產(chǎn)品內(nèi)其他元器件、結(jié)構(gòu)件等燒毀引發(fā)的散熱。同時，并無證據(jù)表明在C49電容焊接位存在焊接過程長時間加熱的必要或可能。依據(jù)產(chǎn)品實際使用環(huán)境，可以排除X2事件：熱應(yīng)力。

X3：過電應(yīng)力。電容器耐電強度由采用的介電材料和兩極間距離決定，實際工作電壓越高，壽命越短[6]。因過電壓或過電流脈沖，在電容器內(nèi)部產(chǎn)生積聚電場，當(dāng)超過電容器本身介電強度，電容內(nèi)部的絕緣層就會被擊穿從而出現(xiàn)裂紋，破壞區(qū)域多位于電場集中的內(nèi)部點擊端部[1]。本電路中過電應(yīng)力主要涉及兩個方面：一是過電壓或靜電作用，二是使用過程中輸入端引入的浪涌電壓或者輸出端負載的變化，引起的大電流燒損電容。經(jīng)測試，由感應(yīng)電壓產(chǎn)生的靜電過電壓并不高;此外，產(chǎn)品現(xiàn)場使用環(huán)境接地安全可靠，操作規(guī)范，不存在產(chǎn)生靜電過電壓條件。因此，可以排除X3事件：過電應(yīng)力。

X4：設(shè)計缺陷。該DC-DC升壓電路在電路設(shè)計原理上不存在隱患，完全遵循了以脈沖調(diào)節(jié)器N5為主的升壓電路推薦使用方案。但是考慮到輸出電壓的不同，推薦方案并未對元器件選型做出任何指導(dǎo)意見。

X5：器件質(zhì)量。CWR09系列電容器在同類產(chǎn)品及其他電路中大量使用，該型號的電容在采購到貨后，要進行電性能測試、溫度沖擊試驗和100%老化篩選，驗收合格后方能送生產(chǎn)線使用。該失效型號的電容器在同類產(chǎn)品及其他電路中并未發(fā)生過大量失效記錄，近5年的失效率小于0.1‰，可以認為電容器質(zhì)量較為可靠。因此，可以排除X5事件：器件質(zhì)量。

X6：批次失效。從電容器C49失效的多起事件來看，電容器批次號較為分散，時間跨度大，不存在同一批次大量失效的情況。查詢其他使用該型號電容器產(chǎn)品的歷史故障信息，該型號電容器未曾發(fā)生過批次失效，也未曾得到電容器廠家的批次失效或召回通知。因此，可以排除X6事件：批次失效。

綜合以上分析，可以排除X1、X2、X3、X5、X6，無法排除X4事件：設(shè)計缺陷帶來的產(chǎn)品故障隱患。

（3）故障定位。由于該電路完全遵循了以脈沖調(diào)節(jié)器N5為主的升壓電路推薦使用方案，因此不存在元器件使用上的錯誤，但是不排除元器件選型出現(xiàn)錯誤。

電容降額的主要參數(shù)是工作電壓和環(huán)境溫度，在實際中以工作電壓為主[7]。查詢《元器件降額準則》（GJB/Z35—93）[8]，其中“5.8節(jié)”有對電容器降額準則的詳細要求（見表1）。

該產(chǎn)品使用在飛行器設(shè)備，按照對應(yīng)降額等級要求，使用的元器件降額等級最低應(yīng)滿足等級Ⅲ，即0.7。

電容器C49的使用環(huán)境為36 V，查詢電容器CWR09 NK475KRB元器件手冊，耐壓值為50 V，降額值為36 V÷50 V=0.72，已超出降額等級的下限（等級Ⅲ：0.7），由此可以判斷，該電路中C49多起失效應(yīng)該與元器件選型，即電容的降額余量不足有關(guān)。降額余量不足導(dǎo)致該電容工作可靠性下降，在長時間、大樣本下，體現(xiàn)出一種批次較為離散的、故障現(xiàn)象較為統(tǒng)一的故障。

3 機理分析

升壓DC-DC電路的輸入電壓為+12 V，輸出電壓為+36 V，輸出電流可達175 mA。輸出電壓經(jīng)R100、R68、R106組成的分壓器輸入N5內(nèi)部比較器的反相端，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。該升壓電路的效率可達90%左右。輸出端使用了耐壓為50 V的電容器作為濾波電容，即C49。該電容器在電路正常上電后長時間處在降額余量超標的工作環(huán)境下，導(dǎo)致電容器雖然符合質(zhì)量標準，但是可靠性降低，易發(fā)生失效故障。

考慮到實際工作環(huán)境，36 V直流輸出為額定值并非瞬態(tài)值，其與紋波的疊加量完全有可能超過該電容的50 V額定電壓值。電容器使用電壓超過額定電壓時，容易破壞介質(zhì)層，將導(dǎo)致電容器性能劣化，嚴重時甚至產(chǎn)生介質(zhì)擊穿[9]，因此在應(yīng)用中，電容器必須按照《元器件降額準則》（GJB/Z35—93）或產(chǎn)品手冊進行降額設(shè)計，建議使用電壓設(shè)定在額定電壓的70%（甚至是50%）以下，防止電路中紋波對介質(zhì)層造成損傷。

4 改進措施

針對該起因元器件選型降額余量不足導(dǎo)致的產(chǎn)品多起失效，采取以下措施：？譹？訛對該電路不做原理上的調(diào)整，在產(chǎn)品位號C49處原位替換成耐壓75 V，與原型號容值相同的電容器（降額余量為0.48，已滿足等級Ⅰ：0.5）。查詢替換電容器的安裝尺寸，可與原型號電容通用，不存在空間位置的局限。？譺？訛檢查并再次核算該產(chǎn)品其他元器件選型降額余量，不存在降額余量超標的情況。？譻？訛召回已交付的產(chǎn)品，將位號C49電容器替換成新型號電容器。

5 結(jié)語

經(jīng)過該電容器選型更正之后，產(chǎn)品經(jīng)過用戶長時間使用驗證，再未發(fā)生過C49電容器失效事件，通過元器件選型更改有效提高了整個產(chǎn)品的使用可靠性。

降額設(shè)計是提高產(chǎn)品可靠性的重要手段，應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)電子產(chǎn)品承受的工作應(yīng)力（包括電應(yīng)力、熱應(yīng)力等）對其使用可靠性影響較大。因此，降額設(shè)計在電子產(chǎn)品設(shè)計中具有重要的作用，是產(chǎn)品可靠性設(shè)計的必要手段。降額設(shè)計是電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計中必不可少的組成部分，針對機載電子產(chǎn)品高可靠性要求的特性，降額設(shè)計尤為重要。通過降額設(shè)計能有效延緩元器件參數(shù)退化，降低產(chǎn)品基本失效率，提高使用可靠性，增加工作壽命。

當(dāng)前，機載電子產(chǎn)品的可靠性要求越來越高，通過對電子元器件進行降額技術(shù)應(yīng)用，可以有效提高產(chǎn)品的可靠性[10]。因此，在電路設(shè)計過程中，不僅考慮電路原理設(shè)計隱患，更要在元器件選型過程中對質(zhì)量標準、降額余量等因素作為重點考慮對象，通過合理的設(shè)計增加產(chǎn)品使用可靠性，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

參 考 文 獻

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