電容器高溫老化測試系統(tǒng)-

1、電容器高溫老化測試系統(tǒng)X劉向東1唐豐21(浙江大學信息科學與工程學院杭州3100272(杭州九二無線電廠杭州310007摘要可靠性篩選試驗是保證電子產(chǎn)品可靠性水平和質量的重要手段,高溫老化是主要篩選方法之一。本文在闡述老化測試基本理論的基礎上,系統(tǒng)介紹了電容器高溫老化測試系統(tǒng)的設計原理。系統(tǒng)可同時對400工位各類電容器進行老化,并自動測試電容值和漏電流,實現(xiàn)失效工位的自動剔除。實際測試表明,系統(tǒng)精度優(yōu)于5%,完全符合大多數(shù)產(chǎn)品對使用電容器的要求。關鍵詞電容器高溫老化老化中測試可靠性篩選The Testing System of Capacitor During High Temper atur

2、e Burn -inLiu Xiangdong 1T ang Feng21(Zhej ia ng Univer sity ,H angzhou 3100272(H angzhou 92R adio Equip ment F actory ,H angzhou 310007Abstr act Reliability experiment is an important method to ensure the reliability and the quantity of the electronic products.High temperatur e burn-in is a main as

3、pect of this testing.In this paper,the design principle of the system is systematically described according to the basic theor y about testing during bur n-in.The system can burn -in four hundred capacitor s at the same time ,automatically test their capacity value and bleeder current,and realize th

4、e function of automatic removing the damaged device.Results of actual measur ement show that an accuracy of 5%is obtained,which satisfies the need for most of devices.Key wor ds Capacitor High temperature bur n-in T est during burn-in Reliability1引言可靠性1是對一種產(chǎn)品投入使用時無故障工作能力的度量。電子元器件的壽命期劃分為如圖1浴盆曲線所示的三個階

5、段。其中在老化期中存在早期失效,失效率較高;在使用壽命期失效率較穩(wěn)定; 而在耗損期失圖1產(chǎn)品壽命失效率曲線效率也較高?？煽啃院Y選試驗1,2是在一批產(chǎn)品中剔除由潛在不良因素造成的有缺陷產(chǎn)品早期失效產(chǎn)品。經(jīng)剔除早期失效篩選后,產(chǎn)品失效率可降低一至二個數(shù)量級3。各類電容器是工業(yè)自動化儀表、計算機、醫(yī)療儀器、通訊設備、航空航天等軍用民用領域中應用廣泛的電子元器件。有許多原因可導致電容器擊穿、開路、電參數(shù)退化、電解液泄漏及機械損壞等,其失效模式對整機可靠性的影響越來越突出4,5。近期興起的節(jié)能燈產(chǎn)業(yè)中,電容器的質量成為決定其核心部件整流器壽命的瓶頸。對電容器進行可靠性分析和老化測試,已成為相關產(chǎn)品必不可

6、少的保障手段。電容器失效的主要機理有以下幾種:潮濕引起的電容器電參數(shù)漂移失效、電容器電極的銀離子遷移、電第22卷第6期儀器儀表學報2001年12月X 本文于2000年8月收到。容器的低電平失效、電容器的擊穿失效以及電容器的電容量漂移等4,5。電容器高溫老化測試系統(tǒng)適用于對電解電容、聚苯乙烯電容以及以陶瓷、獨石、云母、玻璃釉、紙質等材料為介質的各類電容器進行老化篩選和測試。2電容器測量原理由于引線電感和損耗電阻的存在,電容器具有電容量、電感、電阻、損耗角、漏電流等參數(shù)。對大多數(shù)電子產(chǎn)品來說,電容器的引線電感、損耗電阻、損耗角等在使用過程中不易變化,而電容量和漏電流最容易發(fā)生變化,所以電容在篩選時

7、需要測量的參數(shù)主要有電容量和漏電流。傳統(tǒng)測量方法主要有電流電壓法、電橋比較法、諧振法等。電容器高溫老化測試系統(tǒng)是通過繼電器陣列將高溫老化板上的電容器列陣的每個單元進行電路隔離,然后進行參數(shù)測量,且要求測試中電容耐壓值比較高。因此傳統(tǒng)測量方法都難以采用。實際采用的是交流比較法,即使用穩(wěn)定的標準電源、高精度的標準電容,在不同的測量范圍實施分檔測試。標準電源是頻率50Hz 、有效值2V 的交流電源,由于內(nèi)阻很小,故在測試較大電容時誤差較小;由于頻率較低,故線路簡單,實現(xiàn)容易,可靠性強。采用交流比較法的優(yōu)點是易于實現(xiàn)自動化批量測量,測試時間短,測量范圍寬,通過誤差補償可以達到5%的測量精度。2.1電容

8、容量測量原理2.1.1 首先測標準電源C 0標準電容C 2被測電容u 1標準電源電壓u 0標準電容上的電壓u 2被測電容上的電壓圖2電容測試電路圖2所示為系統(tǒng)采用的電容測試電路,只給出了電容器陣列經(jīng)電路隔離后的一個工位。其中J 1為通道切換繼電器,后部的方框圖為共有測試通道,其功能是對被測交流電壓進行整流濾波,得到直流電壓值后經(jīng)放大3倍送入電壓頻率轉換器進行模數(shù)轉換,電壓頻率轉換器的輸出值K 與被測電壓的有效值u 成正比,則有:K =A u (1式中:A 為常數(shù)。A 包含了整流濾波的電壓損失以及放大器和VFC 的轉換誤差等因素。VFC 的輸出值K 由后繼通道的計算機在線檢測并存儲待用。標準電源

9、的設計要求是電壓值穩(wěn)定,不受電網(wǎng)電壓干擾波動的影響。因此標準電源的電壓有效值是否準確無關緊要,關鍵是電壓值要穩(wěn)定。由于測試工位多,為了測試簡單、速度快,標準電容C 0上的電壓u 0可以不測,而首先用共有測試通道對標準電源電壓u 1進行測試,測試時J 1動作,測得:K 1=A u 1(22.1.2其次空測分布電容C r由于測試工位多,老化板上各工位電容插口至共有測試通道的引線較長,故存在著較大的分布電容。為了減少測試誤差,特別是減少小電容容量測試誤差,必須對各工位分布電容進行空測,但只需要測一次即可。測試電路采用圖2所示電路,將被測電容C 2拿掉,設工位分布電容為C r ,分布電容上的電壓為u

10、r 。用共有測試通道對u r 進行測試,測試時J 1不動作,測得:K r =A u r(3由(2和(3可以計算標準電容C 0上交流電壓經(jīng)整流、濾波、放大和轉換后的輸出值為:K 0=K 1-K r(4根據(jù)電容串聯(lián)電路電荷量相等的原則,分布電容C r 上電量Q r 應等于標準電容C 0上電量Q 0,即:C 0u 0=C r u r(5將(2、(3、(4代入(5,有:C r =C 0K 1-K rK r(62.1.3再次測被測電容C 2如圖2所示,與式(5成立的原理相同,有:C 0u 0=C 2u 2(7用共有測試通道對u 2進行測試,測試時J 1不動作,測得C 2上交流電壓經(jīng)整流、濾波、放大、轉換

11、后的輸出值為:K 2=A u 2(8將(2、(8代入(7,有:C 2=C 0K 1-K 2K 2(9設待測電容的實際電容值為C,則:C =C 2-C r(10將(6、(9代入(10,有:C =C 0K 1(1K 2-1K r (11上式中,C 0是標準電容容值,K 1、K r 經(jīng)一次測試后,作為常數(shù)存入計算機,因此對于每個工位上的被測電容,611第6期電容器高溫老化測試系統(tǒng)只要測出其對應的K2,即可推算出實際電容值C。2.1.4電容分檔測試及標準電容的選擇如圖2所示的交流比較法電容測試電路,實際上是不同測量范圍的分壓法。由于用于模數(shù)轉換的電壓頻率轉換器VFC的電壓輸入有一個線性范圍,故要求對不

12、同的電容測量范圍采用不同的標準電容。電容器高溫老化測試系統(tǒng)將電容范圍分為六檔,其對應的標準電容選擇如表1所示。表1電容分檔范圍和標準電容的選擇檔位容量范圍標準電容選取11000pF0.1L F CCB型挑選0.01L F1%20.01L F1L F CCB型挑選0.1L F1%30.1L F10L F CCB型挑選1L F1%41L F100L F CCB型挑選測試修正值10L F510L F1000L F CD11型挑選測試修正值100L F6100L F10000L F CD11型挑選測試修正值1000L F如圖2,設V是與K對應的VFC的電壓輸入值,該值也是被測交流電壓經(jīng)整流濾波和放大3

13、倍后的直流電壓。由VFC的線性特性可知:K=BV(12 B為常數(shù)。將(12代入(9,有:C2=C0V1-V2V2(13式中:V1是標準電源經(jīng)整流濾波和放大3倍后的直流電壓值,V2是被測電容C2上電壓經(jīng)整流濾波和放大3倍后的直流電壓值。若標準電源的有效值是2V,則有: V1=62 (V現(xiàn)以表1中第1檔為例計算:若C0=0.01L F,C2=1000pF,代入(13求得:V2=7.71(V若C0=0.01L F,C2=0.1L F,代入(13求得:V2=0.771(V因此第1檔電壓測試范圍為:0.771V7.71V。按相同的方法求得其他各檔電壓測試范圍均與第1檔相同。用輸入電壓為10V的V FC構

14、成共有測試通道可滿足各檔電容測試的要求。2.2漏電流測量原理用繼電器將共有測試通道中的VFC切換至漏電流測試通道,構成如圖3所示的漏電流測試電路。其中C2為待測工位電容,R為標準電阻,U為漏電流在R 上產(chǎn)生的壓降,R i(i=14為構成放大電路的外圍電阻,電壓放大倍數(shù)B可根據(jù)漏電流測量量程通過繼電器J2在5和10兩檔間切換。 K是測漏電流時計算機測出的VFC的輸出值。測試時經(jīng)延時使老化電壓在C2上沖電達到飽和,則由歐姆定律,有漏電流:圖3漏電流測試電路I=U/R(14綜合式(12,有:I=KBBR(15利用繼電器列陣切換,通過上式可測得每個工位電容的漏電流。應注意的是,為使測試都落在V FC的

15、線性范圍中,對不同的測試范圍,應選用不同的標準電阻和電壓放大倍數(shù)。漏電流分檔測試的配置如表2所示。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)不同量程之間的自動切換。表2漏電流分檔范圍和配置選擇檔位漏電流范圍標準電阻放大倍數(shù)10.1L A1L A1M8521L A0.1mA5k81030.1m A2mA25081042m A50mA10810圖4擊穿檢測電路3老化電容擊穿檢測在老化和測試中,因失效會導致某些電容被擊穿,從而影響其他電容的老化和測試,因此必須設置電容擊穿檢測電路進行監(jiān)控,自動檢測到擊穿電容的工位,并用繼電器將該電容脫離老化回路。擊穿檢測電路如圖4所示。其中一個老化通道(老化板上有40個工位電容并聯(lián),并由繼電器陣

16、列分別控制連接狀態(tài),R5為612儀器儀表學報第22卷 圖5系統(tǒng)結構框圖電路保護電阻,R6為18的取樣電阻,其上的壓降可通過測試通道由計算機檢測。當某通道中有電容被擊穿時,流過R6上的電流大于0.8A,計算機測試到R6上壓降大于0.8V,就知道哪個老化通道中有電容被擊穿,下位機通過繼電器使這個通道的電容全部脫離老化回路,然后對該通道電容逐一進行漏電流檢測,當檢測到該通道某位電容的漏電流超差或短路,就將該電容永遠脫離出老化回路,在后繼的容量和漏電流測試中也不檢測該位電容,而這一通道的其他電容重新進入老化狀態(tài)。4系統(tǒng)結構原理系統(tǒng)結構框圖如圖5所示。系統(tǒng)由主控上位機外加11路專用下位機(其中一路為程控

17、電源組成分布式集散控制系統(tǒng),包括高溫老化烘箱、雙組程控老化電源、老化板、繼電器控制板、下位機控制板、共有測試通道及上位機七部分組成。烘箱提供老化所需的溫度應力場,內(nèi)有十只100總線插槽,可一次插十塊老化板;雙組程控老化電源靠程序監(jiān)控構成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),使老化電壓的實際值始終處于設定范圍內(nèi),并能為老化過程提供兩組電壓值。當有電容被擊穿時,使老化電壓脫離閉環(huán)系統(tǒng),實施對擊穿工位號的檢測和分離;老化板具有耐高溫的特性,是老化電容的載體,其上的特制夾具可滿足固定不同體積、不同引腳電容的要求,每塊容量為40工位,系統(tǒng)容量為400工位;繼電器控制板是繼電器陣列及其控制驅動部分,它接收下位機控制板的命令,是對

18、電容實施加電壓老化及分離測試的切換控制執(zhí)行器;下位機控制板是微機擴展系統(tǒng),與繼電器控制板和老化板一一對應,控制系統(tǒng)進行老化、測試及篩選。若有電容擊穿或測試超標,則檢查工位號并送上位機;共有測試通道是各種標量共用的采樣測試通道,其作用是將待測電容分離切入前級通道,測量待測標量;主控計算機對電容老化和測試進行過程集中管理,通過串行通信向下位機發(fā)送控制指令,實施程序設定的工作路線,并對測量結果進行數(shù)據(jù)管理,提供屏幕查詢和報表輸出功能。5結論經(jīng)過實際運行和誤差評估,電容器高溫老化測試系統(tǒng)達到了設計技術指標要求。表3給出了一組典型的測試報表數(shù)據(jù),其測試環(huán)境為:老化時間為2小時,老化額定電壓為100V,老化溫度為85,標稱容量為4.7L F,允許偏差為5%,漏電流上限為50L A。由表3可見,第一塊老化板3號工位電容經(jīng)高溫老化后容量值超標,應予以剔除。表3系統(tǒng)典型測試數(shù)據(jù)塊號工號常溫容量(L F常溫漏電(L A高溫容量(L F高溫漏電(L A結果11 4.720.243 4.750.243合格12 4.780.244 4.820.244合格13 4.630.244 4.940.246不合格14 4.740.218 4.770.218合格15 4.840.259 4.890.262合格16 4.680.244 4.720.244合格17 4.620.230 4.700.