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 肖衛鎮

【摘 要】文章針對某設備使用的型號為CWR09NK475KRB電容器出現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

隨著電子設備的快速發展，其可靠性問題引起人們越來越多的關注。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、最基礎的電子元器件，但是它在電路中承擔重要作用，因此電容器的失效有可能造成整個電子設備功能異常甚至功能喪失，造成的損失更是不可估量。本研究結合某設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規范）的電容器，接連發生多起短路失效故障。故障模式相同且造成多起整機設備故障的嚴重后果。

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、脈沖調節器N5、二極管V7和濾波電容C49等器件構成。正常工作時，脈沖調節器N5內部開關管處于高頻變換狀態，控制電感器L3能量的存儲與釋放，感應電動勢與輸入電壓VST疊加實現升壓。電阻器R100、R106、R68實現輸出電壓負反饋，調整N5內部開關管驅動脈沖的寬度，維持36 V電壓輸出穩定。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。在實際應用過程中發生多起電容器C49短路故障，導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致產品發生一種給定故障的邏輯推理圖，故障樹的構圖元素是事件和邏輯門，通過邏輯門將事件相互聯系起來。故障樹可以幫助使用者判斷可能發生的故障模式和原因，發現可靠性和安全性的薄弱環節，采取改進措施。當發生重大故障后，故障樹分析法是故障調查的一種有效手段，可以系統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。該電容器應用在DC-DC升壓電路中，在實際環境下會受到各種外部應力干擾或者沖擊，例如外部碰撞、過熱環境、電沖擊等，應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，電路設計不合理有可能造成電容器長期工作在異常狀態，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，或者其生產加工方式本身不完善，導致電容器的出廠狀態就是不合格狀態，存在生產過程引入的瑕疵，當電容器應用在實際電路后，經過一段時間的使用，電容器失效。

綜上，電容器的失效已進行了兩個方向的分解，繼而應從A1和A2兩個方向繼續深入查找原因，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：機械應力。因電容器生產介質材料硬、脆的特性，電容器容易受機械應力的影響，當其彎曲形變超過其承受范圍時，極易產生破裂失效。在生產加工過程中，元器件貼裝焊接、單板分板切割、螺釘安裝、插件安裝、單板流轉等環節都會引入機械應力[1]。檢查失效器件外觀形態正常，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升壓電路應用的產品由金屬機箱裝載，自產品交付用戶使用后不存在機箱開蓋的情況。檢查機箱內部，并無安裝沖突、頂撞，機箱內未曾發現過多余物。依據產品實際使用環境，可以排除X1事件：機械應力。

X2：熱應力。CWR09系列電容器是在高溫下燒結而成，耐高溫，但介質材料耐熱沖擊性能較差，當外界環境溫度沖擊或電容器內存在溫度梯度，會使電容器受熱不均，各部分膨脹幅度不同，從而產生破壞性熱應力[1]。熱應力失效一般是由于產品的損耗太大導致失衡，熱量分布不均勻，局部熱量較大，導致熱破壞[4]。需要驗證電容器耐焊接熱能力和評估生產過程中是否存在引入熱沖擊的風險，如烙鐵高溫、SMT爐溫不穩定、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，明確標注適用環境為-55～+125 ℃。查詢該電容器所屬產品的出廠前高低溫環境試驗范圍為-55～+70 ℃，該產品使用在國內自然環境中，不存在超出-55～+70 ℃的自然氣候環境。再查產品內C49電容器的布局環境，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，并無產品內其他元器件、結構件等燒毀引發的散熱。同時，并無證據表明在C49電容焊接位存在焊接過程長時間加熱的必要或可能。依據產品實際使用環境，可以排除X2事件：熱應力。

X3：過電應力。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，在電容器內部產生積聚電場，當超過電容器本身介電強度，電容內部的絕緣層就會被擊穿從而出現裂紋，破壞區域多位于電場集中的內部點擊端部[1]。本電路中過電應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。經測試，由感應電壓產生的靜電過電壓并不高;此外，產品現場使用環境接地安全可靠，操作規范，不存在產生靜電過電壓條件。因此，可以排除X3事件：過電應力。

X4：設計缺陷。該DC-DC升壓電路在電路設計原理上不存在隱患，完全遵循了以脈沖調節器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意見。

X5：器件質量。CWR09系列電容器在同類產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線使用。該失效型號的電容器在同類產品及其他電路中并未發生過大量失效記錄，近5年的失效率小于0.1‰，可以認為電容器質量較為可靠。因此，可以排除X5事件：器件質量。

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品的歷史故障信息，該型號電容器未曾發生過批次失效，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：設計缺陷帶來的產品故障隱患。

（3）故障定位。由于該電路完全遵循了以脈沖調節器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錯誤。

電容降額的主要參數是工作電壓和環境溫度，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”有對電容器降額準則的詳細要求（見表1）。

該產品使用在飛行器設備，按照對應降額等級要求，使用的元器件降額等級最低應滿足等級Ⅲ，即0.7。

電容器C49的使用環境為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多起失效應該與元器件選型，即電容的降額余量不足有關。降額余量不足導致該電容工作可靠性下降，在長時間、大樣本下，體現出一種批次較為離散的、故障現象較為統一的故障。

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R100、R68、R106組成的分壓器輸入N5內部比較器的反相端，保證輸出電壓的穩定性。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境下，導致電容器雖然符合質量標準，但是可靠性降低，易發生失效故障。

考慮到實際工作環境，36 V直流輸出為額定值并非瞬態值，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，容易破壞介質層，將導致電容器性能劣化，嚴重時甚至產生介質擊穿[9]，因此在應用中，電容器必須按照《元器件降額準則》（GJB/Z35—93）或產品手冊進行降額設計，建議使用電壓設定在額定電壓的70%（甚至是50%）以下，防止電路中紋波對介質層造成損傷。

4 改進措施

針對該起因元器件選型降額余量不足導致的產品多起失效，采取以下措施：？譹？訛對該電路不做原理上的調整，在產品位號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？訛召回已交付的產品，將位號C49電容器替換成新型號電容器。

5 結語

經過該電容器選型更正之后，產品經過用戶長時間使用驗證，再未發生過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品的使用可靠性。

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

當前，機載電子產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應用，可以有效提高產品的可靠性[10]。因此，在電路設計過程中，不僅考慮電路原理設計隱患，更要在元器件選型過程中對質量標準、降額余量等因素作為重點考慮對象，通過合理的設計增加產品使用可靠性，提升產品質量。

參 考 文 獻

[1]吳廣霖，白瑞林.片式多層陶瓷電容的可靠性應用研究[J].功能材料與器件學報，2014，20（5）：117-121.

[2]周斌，黃元亮.基于模塊化分解的故障樹分析方法[J].計算機工程，2015，41（2）：141-144.

[3]李松，卞楠.片式多層陶瓷電容失效原因分析[J].理化檢驗（物理分冊），2016，52（9）：663-666.

[4]王爍.鉭電容失效模式及分析[J].科技風，2018（1）：108-109.

[5]王天午.MLCC電容失效分析總結[J].電聲技術，2018，42（2）：36-40.

[6]孫海華.大功率UPS系統關鍵器件壽命分析及其在應用中的影響[J].通信電源技術，2018，35（5）：91-94.

[7]郭振鋒，郭炳，趙凱.電子元器件降額設計研究[J].電子元器件，2016（1）：257-258.

[8]GJB/Z 35—93，元器件降額準則[S].

[9]崔德勝，陳朝杰，彭磊，等.電容器常見漏電失效模式分析及應用建議[J].電子元件與材料，2017，36（9）：38-42.

[10]辛穎，靳靜，雷苗英，等.機載電子產品降額設計研究[J].通用質量特性，2018（1）：13-16.