電解電容是電子電路設(shè)計(jì)中最重要的元器件之一。隨著電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性要求的逐步提高和電解電容制造工藝水平的不斷改進(jìn), 電解電容的耐久性壽命水平也越來越高。以變頻空調(diào)器設(shè)計(jì)中使用的電解電容為例, 最高耐久性壽命可達(dá)20000h, 按照常規(guī)的檢測(cè)方法進(jìn)行耐久性壽命檢驗(yàn)將耗費(fèi)大量的試驗(yàn)時(shí)間和資源, 且嚴(yán)重影響新產(chǎn)品的開發(fā)速度。為了提高檢驗(yàn)效率, 最大限度的滿足設(shè)計(jì)生產(chǎn)的需要, 同時(shí)達(dá)到節(jié)省物料檢驗(yàn)成本的目的, 本文通過試驗(yàn)方法對(duì)電解電容在不同溫度條件下的壽命衰減情況進(jìn)行了研究和分析, 初步驗(yàn)證了溫度與其壽命變化趨勢(shì)之間的規(guī)律, 為縮短電解電容壽命試驗(yàn)周期提供了一種有效的途徑。

加速壽命試驗(yàn)指的是為解決壽命試驗(yàn)樣品數(shù)量和試驗(yàn)時(shí)間之間的矛盾, 在不改變?cè)骷C(jī)理的前提下, 采用加大試驗(yàn)應(yīng)力 (諸如熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等) 的方法, 激發(fā)產(chǎn)品在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生跟正常工作應(yīng)力水平下相等的失效, 縮短試驗(yàn)周期, 以便在較短的時(shí)間內(nèi)取得加速情況下的失效率、平均壽命等數(shù)據(jù), 然后運(yùn)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析建立加速壽命模型, 從而快速評(píng)估產(chǎn)品在正常工作應(yīng)力下的可靠性特征。

目前常用的加速壽命試驗(yàn)方法分以下三種:

(1) 恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)

該試驗(yàn)方法是在固定的高于正常工作條件下的應(yīng)力水平下進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

(2) 步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)

該試驗(yàn)方法是在逐級(jí)遞增的應(yīng)力水平下進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

(3) 序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)

該試驗(yàn)方法是在應(yīng)力水平隨時(shí)間等速升高的條件下進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

上述三種加速壽命試驗(yàn)方法, 第 (2) 、 (3) 種方法對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求比較高, 試驗(yàn)成本比較高, 適用于對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)階段。就一般非元器件專業(yè)制造廠家而言, 最具有可操作性和實(shí)用性的應(yīng)該是第 (1) 種恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。雖然這種方法的試驗(yàn)時(shí)間相對(duì)而言不是最短的, 但比我們通常的普通的壽命試驗(yàn)也已經(jīng)縮短了不少, 因此該方法非常具有實(shí)用性。

加速壽命試驗(yàn)的核心問題是計(jì)算出加速因子。所謂加速因子, 指元器件在正常工作應(yīng)力下的壽命與加速環(huán)境下的壽命之比, 通俗一點(diǎn)說就是同樣時(shí)間 (比如1h) 的加速壽命試驗(yàn)相當(dāng)于正常使用條件下的時(shí)間是多少。

但是, 電子元器件在實(shí)際使用過程中的失效機(jī)理是十分復(fù)雜的, 其可靠性往往受很多綜合因素影響, 在試驗(yàn)室條件下是不可能用一種模型來模擬的, 但是可以考慮一些主要因素 (比如溫度、濕度、電流、電壓等) , 建立簡(jiǎn)化模型。

下面介紹幾種常用的加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

本模型 (阿倫尼斯模型) 考慮的環(huán)境應(yīng)力因素為溫度, 通過提高溫度來進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。

其中,

Ln為正常工作溫度下的壽命 (單位為h) ;

Ls為加速溫度條件下的壽命 (單位為h) ;

Tn為正常工作溫度 (單位K) ;

Ts為加速壽命試驗(yàn)的溫度 (單位K) ;

E為失效反應(yīng)的活化能 (單位ev) ;

k為波爾茲曼常數(shù), 8.62×10-5ev/k。

實(shí)踐表明, 絕大多數(shù)電子元器件的失效符合Arrhenius模型。

其中, U為電壓加速因子, Us為加速試驗(yàn)電壓 (單位V) , Un為正常工作電壓 (單位V) , ?為電壓的加速率常數(shù)。

其中, H為濕度加速因子, RHs為加速試驗(yàn)相對(duì)濕度, RHn為正常工作相對(duì)濕度, n為濕度加速率常數(shù), 不同的失效類型對(duì)應(yīng)不同的值。

其中, T為溫度變化加速因子, △TS為加速試驗(yàn)下的溫度變化 (單位K) , △TN為正常應(yīng)力下的溫度變化, n為溫度變化的加速率常數(shù), 不同的失效類型對(duì)應(yīng)不同的值, 一般介于4~8之間。

從電解電容的失效機(jī)理來看, 影響電解電容的耐久性壽命的主要因素是溫度 (溫度影響電解液的揮發(fā)) 。隨著的溫度的升高, 其壽命的衰減趨勢(shì)很明顯。在現(xiàn)有試驗(yàn)室條件下, 通過對(duì)溫度的操作來研究電解電容的加速失效是完全可行的, 因此選用上述Arrhenius模型 (溫度加速) 來探討電解電容的加速壽命試驗(yàn)方法。而本文作者所在的企業(yè)為專業(yè)化空調(diào)生產(chǎn)企業(yè), 因此就以空調(diào)器的控制器設(shè)計(jì)中最常用的電解電容作為研究對(duì)象。

選擇四類最常見的電解電容 (額定壽命1000h) 進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析, 它們分別是:

(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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2)

通常我們所說的電解電容的失效指的是其關(guān)鍵參數(shù)在一定條件下衰減到不符合我們的使用要求的程度, 而不是指完全意義上損壞。基于這一點(diǎn), 我們就以電解電容的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為基準(zhǔn):容量、漏電流、損耗角正切值, 通過具體試驗(yàn)來分析在不同溫度條件下其性能參數(shù)的衰減情況, 通過對(duì)比分析, 從而得到其加速條件下和常規(guī)條件下的等效規(guī)律。

電解電容本身是有一定的承受限度的, 超過了其能夠承受的溫度范圍, 會(huì)急劇衰減, 徹底損壞, 這樣的溫度條件對(duì)于研究工作已經(jīng)沒有意義, 因此提高溫度也要有一定的限度, 不是溫度越高越好, 因此筆者選取最高提高40℃為限值。

按照上述研究方案共得到了24組試驗(yàn)數(shù)據(jù), 每一組數(shù)據(jù)包括容量、漏電流和損耗角正切值三個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值 (試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多, 本文不再一一列出, 僅列舉幾例, 見表3) 。筆者對(duì)這24組數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析, 做出了其參數(shù)變化曲線, 通過曲線擬合出了其參數(shù)隨溫度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式 (多項(xiàng)方程) 。

額定溫度85℃的10μF電解電容在經(jīng)過1000h (額定壽命) 后其三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的變化情況如表4。

那么按照將溫度提高到105℃后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所擬合出的多項(xiàng)式方程 (方法與圖1、圖2和圖3所示例的一樣) 就可以推導(dǎo)出達(dá)到與表4中相同的衰減參數(shù)所需要的時(shí)間, 經(jīng)過推算可得知加速之后所需要的時(shí)間大約為237.65h~266.67h。同理, 可以推算出相同容量的額定溫度為105℃的電解電容在將試驗(yàn)溫度提高到125℃后所需要的時(shí)間約為297.19h~316.95h。

基于同樣的原理可以對(duì)所有的24組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 (數(shù)據(jù)較多, 本文不再一一推導(dǎo)) 。

以電解電容10μF/25V/85℃為例進(jìn)行分析。通過對(duì)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析, 依據(jù)“參數(shù)衰減量相同”的原則可以得知, 當(dāng)溫度提高20℃ (即105℃) 后其壽命試驗(yàn)的時(shí)間可以縮短為250h~300h之間, 因此加速因子A1為:

而按照Arrheni us模型公式根據(jù)兩個(gè)溫度參數(shù)直接所推導(dǎo)出的加速因子A2為:

通過分析發(fā)現(xiàn), 通過試驗(yàn)驗(yàn)證所得到的加速因子A1與通過理論分析所計(jì)算出的加速因子A2是完全吻合的。

4.1在電解電容所能夠承受的溫度范圍內(nèi), 適當(dāng)?shù)奶岣邏勖囼?yàn)的溫度值可以有效地縮短試驗(yàn)周期 (必須保證其他測(cè)試條件與常規(guī)測(cè)試相同) , 而且其基本規(guī)律是溫度每提高10℃其試驗(yàn)時(shí)間大概可以縮短為原來的一半。

4.2通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析, 在額定電壓、額定溫度相同的情況下, 在同一工作溫度條件下, 其容量越大, 失效越快 (即壽命越短) 。因此, 在設(shè)計(jì)選型的時(shí)候, 對(duì)于容量越大的電容就越要注意考慮周圍環(huán)境溫度因素對(duì)電容可靠性的影響。

4.3影響電解電容壽命的因素除了溫度之外, 還有很多其他因素, 例如電路紋波也是影響其壽命的另一個(gè)主要因素。如果綜合考慮這些因素, 其壽命試驗(yàn)的時(shí)間還可以進(jìn)一步縮短, 當(dāng)然涉及多個(gè)因素的時(shí)候, 其研究和分析的難度也將進(jìn)一步加大, 這個(gè)可以作為后續(xù)研究的方向。