高过载下军用电容的参数变化研究及失效分析★

何荣华，张亚，李波，黄运銮，郭攀

（1.中北大学机电工程学院，山西 太原 030051；2.中国人民解放军66440部队，河北 石家庄 050081）

1 引言

电容的失效是指电容执行其要求功能的能力的丧失，对于可修复的产品来说，也可称为 “故障”[1]。电容的失效可根据失效部位、失效机理或失效模式来分类。失效部位是失效发生的位置。失效机理是指由物理、电、化学和机械等应力的特殊组合引起失效的过程。失效模式是指由失效机理所引起的可观察到的物理变化（如断路、短路或电子器件参数的变化）[2]。某无线电引信中的军用电容不仅要承受非常严酷的高过载环境，而且还要求具有很高的安全性和作用可靠性，电容的特性参数发生改变，会影响到引信系统的工作性能。因此，对军用电容高过载环境下的性能参数进行动态测试，实时地采集和记录高过载环境下的引信内部电容的动态参数，能更好地了解电容在高过载环境中特性参数的变化规律及失效模式，对无线电引信高过载环境下的工作性能研究和提高引信的设计水平和可靠性具有重要的意义。

2 试验方案

高过载机械冲击试验用标准锤击试验机（马歇特试验机）来产生高过载惯性力。锤击机的棘轮上共有30个齿，每齿转角为12°。锤击机转动的齿数与锤击时产生的惯性加速度成正比。通过调整实验机上棘轮的齿数可控制锤击机并模拟出1000～30000 g左右的惯性力。击锤有效碰撞时间约为0.15 ms。本文研究的电容破坏极限在15000 g左右，在标准锤击机上就可完成高冲击试验[3]。

此试验把被测电容焊接在电路板上，电路板采用刚性夹持支持方式和击锤相连，所以电路板本身的振动可忽略。冲击方向与电容在某无线电引信的发射过程中受到的后座力方向一致。利用标准锤击试验机产生的瞬态冲击过载，用加速度传感器实时校核冲击过载的大小，并传送给数据采集系统负延时触发信号。实验所采用瞬态记录仪TST3000的采样频率可达1～40 MHz，精度为12位，最大采样点数为1024个，可以真实地记录元件参数的动态变化。试验完成后，任何按规定的测量或检查中出现的不合格，都应视做失效；由于试验期间夹具或处理引起的标记损坏不得视为器件失效[4]。高过载机械冲击动态测试示意图如图1所示。

图1 高过载机械冲击动态测试示意图

3 参数测试

3.1 电容的主要测试参数

判断电容器失效的标准依电容器的用途而定。如对于高频电路用的电容器，依其阻抗和漏电流增大的程度来判断它是否失效；而对于其它用途的电容器，则可能只依其漏电流的增大量来判定它是否失效[5]。对于不同类型的电容器，失效标准也常有不同。

考核电容器的性能有众多的技术参数：漏电流、标称容量、允许偏差、损耗因数、绝缘电阻及时间常数等[6]。在试验项目中，重点对电容器的标称容量和漏电流进行测试。待测参数中的任何一个超出规定值即判定为产品失效。

3.2 电容容值的测量

设计测试电路，由基准电容和被测电容CX构成分压电路，将400 Hz的交流方波信号源加到基准电容C1和被测电容CX构成的分压电路上。通过测试电容CX上的压降，进行阻抗变换后经过仪器采集，则可换算成相应的容值。换算公式为：

3.3 电容漏电流的测量

漏电流，在对电容器施加额定的直流工作电压后，将观察到充电电流的变化；开始很大，随着时间而下降，到某一终值时达到较稳定的状态，这一终值电流就被称为漏电流[7]。

对待测电容的两极施加正向额定直流电压，到规定时间（一般为1～5 min）时测试电容两极间的电流值即为电容的漏电流，测试原理如图2所示。当漏电流大于各电容的规定值时，则电容失效。

图2 漏电流测试原理

4 实验结果分析

图3为某陶瓷电容在惯性力为11200 g、脉宽为0.1 ms的高过载机械冲击试验条件下所测得的容值变化曲线：

图3 容值变化曲线

由图3可知，在机械冲击过程中，该电容上的分压出现大约15 ms的不稳定，可认为该电容在高过载条件下不稳定的时间很长。

由于该陶瓷电容为积分电路中的电容，积分电路在无线电引信中常用作模拟定时器，以延期解除保险，电容容值时大时小出现不稳定，会造成定时时间的不准确性。

经实验对引信内某电解电容在高过载条件下的容值进行测试，也观察到了电解电容在高过载下出现了长时间的不稳定现象，而该电容的不稳定会造成某无线电引信在工作中断供电不足，间隙断电。

对于不同电路中的电容，其容值变化对引信电路产生的影响也不一样。如果用作滤波电容、旁路电容，高过载条件下电容容值变化对电路的总体影响不大；如果用作传递目标信号的耦合电容，高过载条件下其容抗时大时小，无线电引信探测的目标信号也会时强时弱，即目标信号叠加了干扰。

在惯性力为11200 g、脉宽为0.1 ms的高过载机械冲击试验条件下所测得的某电容的漏电流变化曲线如图4所示，可看出在高过载下电容漏电流基本上在增大，期间也出现了不稳定现象。

图4 漏电流变化曲线

而由于漏电流增大造成的电容失效，对引信的影响相对比较大，严重者使得引信电路得不到电源供电，引信完全失效。

在高过载实验中，电容的引线出现了引线脆硬折断的失效现象。即在高过载条件下，电容的开路失效也会由引线的失效引起。

由电容引线折断造成的电容失效对引信的影响，也依电容在引信电路中的用途而不同，但高过载下出现引线脆硬折断的现象相对较少。

通过对大量的军用电容高过载动态测试实验数据的分析可知，电容在高过载条件下，其性能参数通常会发生变化，而冲击结束后，被测参数又逐渐恢复到初始值，这是常规测试方法基本上观察不到的现象。

5 结束语

通过高过载下军用电容的动态测试，可以实时地记录电容的参数变化。可知，高过载下电容的性能参数出现了短暂的不稳定波动的现象，电容的失效模式主要有开路、漏电流增大和容值变化，而电容的失效会引起引信作用的改变。本文设计了高过载下的军用电容动态测试方案，对高过载条件下军用电容的参数变化和失效模式进行了分析，并分析电容失效引起的引信作用变化，对提高引信的设计水平和可靠性具有一定的意义。但由于设备限制，电容的某些技术参数没有进行测试，这是有待改进的地方。

[1]于凌宇，冯玉萍.电容器失效机理综析[J].电子元件1991，（4）： 48-53.

[2]HU J M，BARKER D.失效机理鉴别在加速试验中的作用[J].电子产品可靠性与环境试验，1995，（5）：27-34.

[3]何荣华，张亚，李波，曾凤丽.军用电子元件的可靠性强化试验方案研究[J].科学技术与工程，2009，（18）： 5460-5464.

[4]罗雯，魏建中，阳辉，等.电子元器件可靠性试验工程[M].北京：电子工业出版社，2005.

[5]曲喜新.固体钽电容器的失效机理[J].电子元件与材料，1988，7（4）： 1-11.

[6]郑浩，高静，董磊.怎样用万用表检测电子元器件[M]北京：人民邮电出版社，1988.

[7]王兆翔.关于固体质钽电容器储存稳定性（上）[J].电子质量，2000，（3）：21-25.