从某电容器多起失效着手分析并改进器件选型实例

魏一鸣 杜辙 肖卫镇

【摘 要】文章针对某设备使用的型号为CWR09NK475KRB电容器出现多起非相同批次失效事件，通过故障树分析法对电容器失效的故障根源进行分析，确定了失效的根本原因，最终对电路器件选型进行了改进。

【关键词】电容器;可靠性;降额余量;可靠性;失效模式;故障树

【中图分类号】TM53 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）02-0096-03

0 前言

随着电子设备的快速发展，其可靠性问题引起人们越来越多的关注。电容器作为基本电子元件，在电路中具有隔直流通交流的作用，广泛应用于隔直耦合、去耦、旁滤、滤波、谐振、震荡控制等场合[1]。虽然电容器是功能最简单、最基础的电子元器件，但是它在电路中承担重要作用，因此电容器的失效有可能造成整个电子设备功能异常甚至功能丧失，造成的损失更是不可估量。本研究结合某设备使用的电容器多起失效事例，使用故障树分析方法对电容器失效原因进行深入的分析，最终从电容器选型降额余量入手做出及时更改，提高了电路可靠性，有效减少失效的发生。

1 问题概述

在某电源电路中使用了型号为CWR09NK475KRB（符合美军标MIL-PRF-55365规范）的电容器，接连发生多起短路失效故障。故障模式相同且造成多起整机设备故障的严重后果。

2 问题分析与定位

（1）失效情况。该电容器使用在某DC-DC升压电路应用中，电路原理图如图1所示。VST电压为该升压电路供电，输出36 V电压。升压电路主要由电感器L3、脉冲调节器N5、二极管V7和滤波电容C49等器件构成。正常工作时，脉冲调节器N5内部开关管处于高频变换状态，控制电感器L3能量的存储与释放，感应电动势与输入电压VST叠加实现升压。电阻器R100、R106、R68实现输出电压负反馈，调整N5内部开关管驱动脉冲的宽度，维持36 V电压输出稳定。电容器C49是36 V电压的滤波电容，用作提升36 V输出电压品质。在实际应用过程中发生多起电容器C49短路故障，导致输入端过功率保护，电路无法正常工作。

（2）故障树分析。故障树是用已表明的故障或外界事件或它们的组合将导致产品发生一种给定故障的逻辑推理图，故障树的构图元素是事件和逻辑门，通过逻辑门将事件相互联系起来。故障树可以帮助使用者判断可能发生的故障模式和原因，发现可靠性和安全性的薄弱环节，采取改进措施。当发生重大故障后，故障树分析法是故障调查的一种有效手段，可以系统而全面地分析故障原因，为清除故障提供支持。

针对有可能造成电容器C49开路的原因，列出故障树，用故障树分析法对系统可靠性进行分析[2]，如图2所示。下面逐层进行分析。

第一层（A层），A1、A2中只要有一个条件存在，就会造成电容器失效。

A1：外部因素。该电容器应用在DC-DC升压电路中，在实际环境下会受到各种外部应力干扰或者冲击，例如外部碰撞、过热环境、电冲击等，应力干扰或者冲击均会对电容器造成间接或者直接损伤，甚至失效。同时，电路设计不合理有可能造成电容器长期工作在异常状态，大大缩短电容器寿命。

A2：自身失效。该电容器不排除在制造过程中引入缺陷[3]，可能是某批次电容器没有完全达到合格标准，或者其生产加工方式本身不完善，导致电容器的出厂状态就是不合格状态，存在生产过程引入的瑕疵，当电容器应用在实际电路后，经过一段时间的使用，电容器失效。

综上，电容器的失效已进行了两个方向的分解，继而应从A1和A2两个方向继续深入查找原因，因此将A1和A2下属的各种可能的失效因素进行枚举，列出故障树第二层（X层），X1、X2、X3、X4、X5、X6这6个底事件只要有任意一个或者多个发生，就会造成电容器失效。接下来对6个底事件进行逐一分析。

X1：机械应力。因电容器生产介质材料硬、脆的特性，电容器容易受机械应力的影响，当其弯曲形变超过其承受范围时，极易产生破裂失效。在生产加工过程中，元器件贴装焊接、单板分板切割、螺钉安装、插件安装、单板流转等环节都会引入机械应力[1]。检查失效器件外观形态正常，所有失效过的C49电容器均无外界机械外力损伤痕迹。该DC-DC升压电路应用的产品由金属机箱装载，自产品交付用户使用后不存在机箱开盖的情况。检查机箱内部，并无安装冲突、顶撞，机箱内未曾发现过多余物。依据产品实际使用环境，可以排除X1事件：机械应力。

X2：热应力。CWR09系列电容器是在高温下烧结而成，耐高温，但介质材料耐热冲击性能较差，当外界环境温度冲击或电容器内存在温度梯度，会使电容器受热不均，各部分膨胀幅度不同，从而产生破坏性热应力[1]。热应力失效一般是由于产品的损耗太大导致失衡，热量分布不均匀，局部热量较大，导致热破坏[4]。需要验证电容器耐焊接热能力和评估生产过程中是否存在引入热冲击的风险，如烙铁高温、SMT炉温不稳定、SMT炉温曲线变化速率过快等[5]。查询CWR09系列电容器的元器件手册，明确标注适用环境为-55～+125 ℃。查询该电容器所属产品的出厂前高低温环境试验范围为-55～+70 ℃，该产品使用在国内自然环境中，不存在超出-55～+70 ℃的自然气候环境。再查产品内C49电容器的布局环境，周圍不存在大功率或散热量极大元器件，所有C49电容器的失效故障均为自身失效，并无产品内其他元器件、结构件等烧毁引发的散热。同时，并无证据表明在C49电容焊接位存在焊接过程长时间加热的必要或可能。依据产品实际使用环境，可以排除X2事件：热应力。

X3：过电应力。电容器耐电强度由采用的介电材料和两极间距离决定，实际工作电压越高，寿命越短[6]。因过电压或过电流脉冲，在电容器内部产生积聚电场，当超过电容器本身介电强度，电容内部的绝缘层就会被击穿从而出现裂纹，破坏区域多位于电场集中的内部点击端部[1]。本电路中过电应力主要涉及两个方面：一是过电压或静电作用，二是使用过程中输入端引入的浪涌电压或者输出端负载的变化，引起的大电流烧损电容。经测试，由感应电压产生的静电过电压并不高;此外，产品现场使用环境接地安全可靠，操作规范，不存在产生静电过电压条件。因此，可以排除X3事件：过电应力。

X4：设计缺陷。该DC-DC升压电路在电路设计原理上不存在隐患，完全遵循了以脉冲调节器N5为主的升压电路推荐使用方案。但是考虑到输出电压的不同，推荐方案并未对元器件选型做出任何指导意见。

X5：器件质量。CWR09系列电容器在同类产品及其他电路中大量使用，该型号的电容在采购到货后，要进行电性能测试、温度冲击试验和100%老化筛选，验收合格后方能送生产线使用。该失效型号的电容器在同类产品及其他电路中并未发生过大量失效记录，近5年的失效率小于0.1‰，可以认为电容器质量较为可靠。因此，可以排除X5事件：器件质量。

X6：批次失效。从电容器C49失效的多起事件来看，电容器批次号较为分散，时间跨度大，不存在同一批次大量失效的情况。查询其他使用该型号电容器产品的历史故障信息，该型号电容器未曾发生过批次失效，也未曾得到电容器厂家的批次失效或召回通知。因此，可以排除X6事件：批次失效。

综合以上分析，可以排除X1、X2、X3、X5、X6，无法排除X4事件：设计缺陷带来的产品故障隐患。

（3）故障定位。由于该电路完全遵循了以脉冲调节器N5为主的升压电路推荐使用方案，因此不存在元器件使用上的错误，但是不排除元器件选型出现错误。

电容降额的主要参数是工作电压和环境温度，在实际中以工作电压为主[7]。查询《元器件降额准则》（GJB/Z35—93）[8]，其中“5.8节”有对电容器降额准则的详细要求（见表1）。

该产品使用在飞行器设备，按照对应降额等级要求，使用的元器件降额等级最低应满足等级Ⅲ，即0.7。

电容器C49的使用环境为36 V，查询电容器CWR09 NK475KRB元器件手册，耐压值为50 V，降额值为36 V÷50 V=0.72，已超出降额等级的下限（等级Ⅲ：0.7），由此可以判断，该电路中C49多起失效应该与元器件选型，即电容的降额余量不足有关。降额余量不足导致该电容工作可靠性下降，在长时间、大样本下，体现出一种批次较为离散的、故障现象较为统一的故障。

3 机理分析

升压DC-DC电路的输入电压为+12 V，输出电压为+36 V，输出电流可达175 mA。输出电压经R100、R68、R106组成的分压器输入N5内部比较器的反相端，保证输出电压的稳定性。该升压电路的效率可达90%左右。输出端使用了耐压为50 V的电容器作为滤波电容，即C49。该电容器在电路正常上电后长时间处在降额余量超标的工作环境下，导致电容器虽然符合质量标准，但是可靠性降低，易发生失效故障。

考虑到实际工作环境，36 V直流输出为额定值并非瞬态值，其与纹波的叠加量完全有可能超过该电容的50 V额定电压值。电容器使用电压超过额定电压时，容易破坏介质层，将导致电容器性能劣化，严重时甚至产生介质击穿[9]，因此在应用中，电容器必须按照《元器件降额准则》（GJB/Z35—93）或产品手册进行降额设计，建议使用电压设定在额定电压的70%（甚至是50%）以下，防止电路中纹波对介质层造成损伤。

4 改进措施

针对该起因元器件选型降额余量不足导致的产品多起失效，采取以下措施：？譹？訛对该电路不做原理上的调整，在产品位号C49处原位替换成耐压75 V，与原型号容值相同的电容器（降额余量为0.48，已满足等级Ⅰ：0.5）。查询替换电容器的安装尺寸，可与原型号电容通用，不存在空间位置的局限。？譺？訛检查并再次核算该产品其他元器件选型降额余量，不存在降额余量超标的情况。？譻？訛召回已交付的产品，将位号C49电容器替换成新型号电容器。

5 结语

经过该电容器选型更正之后，产品经过用户长时间使用验证，再未发生过C49电容器失效事件，通过元器件选型更改有效提高了整个产品的使用可靠性。

降额设计是提高产品可靠性的重要手段，应用中发现电子产品承受的工作应力（包括电应力、热应力等）对其使用可靠性影响较大。因此，降额设计在电子产品设计中具有重要的作用，是产品可靠性设计的必要手段。降额设计是电子产品可靠性设计中必不可少的组成部分，针对机载电子产品高可靠性要求的特性，降额设计尤为重要。通过降额设计能有效延缓元器件参数退化，降低产品基本失效率，提高使用可靠性，增加工作寿命。

当前，机载电子产品的可靠性要求越来越高，通过对电子元器件进行降额技术应用，可以有效提高产品的可靠性[10]。因此，在电路设计过程中，不仅考虑电路原理设计隐患，更要在元器件选型过程中对质量标准、降额余量等因素作为重点考虑对象，通过合理的设计增加产品使用可靠性，提升产品质量。

参 考 文 献

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[4]王爍.钽电容失效模式及分析[J].科技风，2018（1）：108-109.

[5]王天午.MLCC电容失效分析总结[J].电声技术，2018，42（2）：36-40.

[6]孙海华.大功率UPS系统关键器件寿命分析及其在应用中的影响[J].通信电源技术，2018，35（5）：91-94.

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[8]GJB/Z 35—93，元器件降额准则[S].

[9]崔德胜，陈朝杰，彭磊，等.电容器常见漏电失效模式分析及应用建议[J].电子元件与材料，2017，36（9）：38-42.

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