電解電容加速壽命試驗的(de)研究與應用(yòng)

電解電容是電子電路設計中最重要的(de)元器件之一。随著(zhe)電子産品設計可(kě)靠性要求的(de)逐步提高(gāo)和(hé)電解電容制造工藝水(shuǐ)平的(de)不斷改進, 電解電容的(de)耐久性壽命水(shuǐ)平也(yě)越來(lái)越高(gāo)。以變頻(pín)空調器設計中使用(yòng)的(de)電解電容爲例, 最高(gāo)耐久性壽命可(kě)達20000h, 按照(zhào)常規的(de)檢測方法進行耐久性壽命檢驗将耗費大(dà)量的(de)試驗時(shí)間和(hé)資源, 且嚴重影(yǐng)響新産品的(de)開發速度。爲了(le)提高(gāo)檢驗效率, 最大(dà)限度的(de)滿足設計生産的(de)需要, 同時(shí)達到節省物(wù)料檢驗成本的(de)目的(de), 本文通(tōng)過試驗方法對(duì)電解電容在不同溫度條件下(xià)的(de)壽命衰減情況進行了(le)研究和(hé)分(fēn)析, 初步驗證了(le)溫度與其壽命變化(huà)趨勢之間的(de)規律, 爲縮短電解電容壽命試驗周期提供了(le)一種有效的(de)途徑。

加速壽命試驗指的(de)是爲解決壽命試驗樣品數量和(hé)試驗時(shí)間之間的(de)矛盾, 在不改變元器件失效機理(lǐ)的(de)前提下(xià), 采用(yòng)加大(dà)試驗應力 (諸如熱(rè)應力、電應力、機械應力等) 的(de)方法, 激發産品在短時(shí)間内産生跟正常工作應力水(shuǐ)平下(xià)相等的(de)失效, 縮短試驗周期, 以便在較短的(de)時(shí)間内取得(de)加速情況下(xià)的(de)失效率、平均壽命等數據, 然後運用(yòng)試驗數據分(fēn)析建立加速壽命模型, 從而快(kuài)速評估産品在正常工作應力下(xià)的(de)可(kě)靠性特征。

目前常用(yòng)的(de)加速壽命試驗方法分(fēn)以下(xià)三種:

(1) 恒定應力加速壽命試驗

該試驗方法是在固定的(de)高(gāo)于正常工作條件下(xià)的(de)應力水(shuǐ)平下(xià)進行壽命試驗。

(2) 步進應力加速壽命試驗

該試驗方法是在逐級遞增的(de)應力水(shuǐ)平下(xià)進行壽命試驗。

(3) 序進應力加速壽命試驗

該試驗方法是在應力水(shuǐ)平随時(shí)間等速升高(gāo)的(de)條件下(xià)進行壽命試驗。

上述三種加速壽命試驗方法, 第 (2) 、 (3) 種方法對(duì)試驗設備的(de)要求比較高(gāo), 試驗成本比較高(gāo), 适用(yòng)于對(duì)産品的(de)設計改進階段。就一般非元器件專業制造廠家而言, 最具有可(kě)操作性和(hé)實用(yòng)性的(de)應該是第 (1) 種恒定應力加速壽命試驗。雖然這(zhè)種方法的(de)試驗時(shí)間相對(duì)而言不是最短的(de), 但比我們通(tōng)常的(de)普通(tōng)的(de)壽命試驗也(yě)已經縮短了(le)不少, 因此該方法非常具有實用(yòng)性。

加速壽命試驗的(de)核心問題是計算(suàn)出加速因子。所謂加速因子, 指元器件在正常工作應力下(xià)的(de)壽命與加速環境下(xià)的(de)壽命之比, 通(tōng)俗一點說就是同樣時(shí)間 (比如1h) 的(de)加速壽命試驗相當于正常使用(yòng)條件下(xià)的(de)時(shí)間是多(duō)少。

但是, 電子元器件在實際使用(yòng)過程中的(de)失效機理(lǐ)是十分(fēn)複雜(zá)的(de), 其可(kě)靠性往往受很多(duō)綜合因素影(yǐng)響, 在試驗室條件下(xià)是不可(kě)能用(yòng)一種模型來(lái)模拟的(de), 但是可(kě)以考慮一些主要因素 (比如溫度、濕度、電流、電壓等) , 建立簡化(huà)模型。

下(xià)面介紹幾種常用(yòng)的(de)加速壽命試驗模型。

本模型 (阿倫尼斯模型) 考慮的(de)環境應力因素爲溫度, 通(tōng)過提高(gāo)溫度來(lái)進行加速壽命試驗。

其中,

Ln爲正常工作溫度下(xià)的(de)壽命 (單位爲h) ;

Ls爲加速溫度條件下(xià)的(de)壽命 (單位爲h) ;

Tn爲正常工作溫度 (單位K) ;

Ts爲加速壽命試驗的(de)溫度 (單位K) ;

E爲失效反應的(de)活化(huà)能 (單位ev) ;

k爲波爾茲曼常數, 8.62×10-5ev/k。

實踐表明(míng), 絕大(dà)多(duō)數電子元器件的(de)失效符合Arrhenius模型。

其中, U爲電壓加速因子, Us爲加速試驗電壓 (單位V) , Un爲正常工作電壓 (單位V) , 爲電壓的(de)加速率常數。

其中, H爲濕度加速因子, RHs爲加速試驗相對(duì)濕度, RHn爲正常工作相對(duì)濕度, n爲濕度加速率常數, 不同的(de)失效類型對(duì)應不同的(de)值。

其中, T爲溫度變化(huà)加速因子, △TS爲加速試驗下(xià)的(de)溫度變化(huà) (單位K) , △TN爲正常應力下(xià)的(de)溫度變化(huà), n爲溫度變化(huà)的(de)加速率常數, 不同的(de)失效類型對(duì)應不同的(de)值, 一般介于4~8之間。

從電解電容的(de)失效機理(lǐ)來(lái)看, 影(yǐng)響電解電容的(de)耐久性壽命的(de)主要因素是溫度 (溫度影(yǐng)響電解液的(de)揮發) 。随著(zhe)的(de)溫度的(de)升高(gāo), 其壽命的(de)衰減趨勢很明(míng)顯。在現有試驗室條件下(xià), 通(tōng)過對(duì)溫度的(de)操作來(lái)研究電解電容的(de)加速失效是完全可(kě)行的(de), 因此選用(yòng)上述Arrhenius模型 (溫度加速) 來(lái)探討(tǎo)電解電容的(de)加速壽命試驗方法。而本文作者所在的(de)企業爲專業化(huà)空調生産企業, 因此就以空調器的(de)控制器設計中最常用(yòng)的(de)電解電容作爲研究對(duì)象。

選擇四類最常見的(de)電解電容 (額定壽命1000h) 進行試驗研究和(hé)分(fēn)析, 它們分(fēn)别是:

(1) 電解電容10μF/25V/85℃

(2) 電解電容470μF/25V/85℃

(3) 電解電容10μF/25V/105℃

(4) 電解電容470μF/25V/105℃ (實驗數據見表1、表2)

通(tōng)常我們所說的(de)電解電容的(de)失效指的(de)是其關鍵參數在一定條件下(xià)衰減到不符合我們的(de)使用(yòng)要求的(de)程度, 而不是指完全意義上損壞。基于這(zhè)一點, 我們就以電解電容的(de)三個(gè)關鍵參數爲基準:容量、漏電流、損耗角正切值, 通(tōng)過具體試驗來(lái)分(fēn)析在不同溫度條件下(xià)其性能參數的(de)衰減情況, 通(tōng)過對(duì)比分(fēn)析, 從而得(de)到其加速條件下(xià)和(hé)常規條件下(xià)的(de)等效規律。

電解電容本身是有一定的(de)承受限度的(de), 超過了(le)其能夠承受的(de)溫度範圍, 會急劇衰減, 徹底損壞, 這(zhè)樣的(de)溫度條件對(duì)于研究工作已經沒有意義, 因此提高(gāo)溫度也(yě)要有一定的(de)限度, 不是溫度越高(gāo)越好, 因此筆者選取最高(gāo)提高(gāo)40℃爲限值。

按照(zhào)上述研究方案共得(de)到了(le)24組試驗數據, 每一組數據包括容量、漏電流和(hé)損耗角正切值三個(gè)參數的(de)具體數值 (試驗數據較多(duō), 本文不再一一列出, 僅列舉幾例, 見表3) 。筆者對(duì)這(zhè)24組數據進行了(le)詳細的(de)分(fēn)析, 做(zuò)出了(le)其參數變化(huà)曲線, 通(tōng)過曲線拟合出了(le)其參數随溫度變化(huà)的(de)數學表達式 (多(duō)項方程) 。

表1 研究樣品分(fēn)組 (1)

表2 研究樣品分(fēn)組 (2)      表3 試驗數據記錄 (示例)      表4 85℃常規1000h測試條件下(xià)的(de)參數值 (示例)    

額定溫度85℃的(de)10μF電解電容在經過1000h (額定壽命) 後其三個(gè)關鍵參數的(de)變化(huà)情況如表4。

那麽按照(zhào)将溫度提高(gāo)到105℃後的(de)試驗數據所拟合出的(de)多(duō)項式方程 (方法與圖1、圖2和(hé)圖3所示例的(de)一樣) 就可(kě)以推導出達到與表4中相同的(de)衰減參數所需要的(de)時(shí)間, 經過推算(suàn)可(kě)得(de)知加速之後所需要的(de)時(shí)間大(dà)約爲237.65h~266.67h。同理(lǐ), 可(kě)以推算(suàn)出相同容量的(de)額定溫度爲105℃的(de)電解電容在将試驗溫度提高(gāo)到125℃後所需要的(de)時(shí)間約爲297.19h~316.95h。

基于同樣的(de)原理(lǐ)可(kě)以對(duì)所有的(de)24組試驗數據進行分(fēn)析 (數據較多(duō), 本文不再一一推導) 。

以電解電容10μF/25V/85℃爲例進行分(fēn)析。通(tōng)過對(duì)實際試驗數據的(de)分(fēn)析, 依據“參數衰減量相同”的(de)原則可(kě)以得(de)知, 當溫度提高(gāo)20℃ (即105℃) 後其壽命試驗的(de)時(shí)間可(kě)以縮短爲250h~300h之間, 因此加速因子A1爲:

而按照(zhào)Arrheni us模型公式根據兩個(gè)溫度參數直接所推導出的(de)加速因子A2爲:

通(tōng)過分(fēn)析發現, 通(tōng)過試驗驗證所得(de)到的(de)加速因子A1與通(tōng)過理(lǐ)論分(fēn)析所計算(suàn)出的(de)加速因子A2是完全吻合的(de)。

4.1在電解電容所能夠承受的(de)溫度範圍内, 适當的(de)提高(gāo)壽命試驗的(de)溫度值可(kě)以有效地縮短試驗周期 (必須保證其他(tā)測試條件與常規測試相同) , 而且其基本規律是溫度每提高(gāo)10℃其試驗時(shí)間大(dà)概可(kě)以縮短爲原來(lái)的(de)一半。

4.2通(tōng)過對(duì)試驗數據的(de)分(fēn)析, 在額定電壓、額定溫度相同的(de)情況下(xià), 在同一工作溫度條件下(xià), 其容量越大(dà), 失效越快(kuài) (即壽命越短) 。因此, 在設計選型的(de)時(shí)候, 對(duì)于容量越大(dà)的(de)電容就越要注意考慮周圍環境溫度因素對(duì)電容可(kě)靠性的(de)影(yǐng)響。

4.3影(yǐng)響電解電容壽命的(de)因素除了(le)溫度之外, 還(hái)有很多(duō)其他(tā)因素, 例如電路紋波也(yě)是影(yǐng)響其壽命的(de)另一個(gè)主要因素。如果綜合考慮這(zhè)些因素, 其壽命試驗的(de)時(shí)間還(hái)可(kě)以進一步縮短, 當然涉及多(duō)個(gè)因素的(de)時(shí)候, 其研究和(hé)分(fēn)析的(de)難度也(yě)将進一步加大(dà), 這(zhè)個(gè)可(kě)以作爲後續研究的(de)方向。