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(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院杭州3100272(杭州九二無線電廠杭州310007摘要可靠性篩選試驗(yàn)是保證電子產(chǎn)品可靠性水平和質(zhì)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(chǔ)上,系統(tǒng)介紹了電容器高溫老化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。系統(tǒng)可同時對400工位各類電容器進(jìn)行老化,并自動測試電容值和漏電流,實(shí)現(xiàn)失效工位的自動剔除。實(shí)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(guān)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。可靠性篩選試驗(yàn)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(jì)算機(jī)、醫(yī)療儀器、通訊設(shè)備、航空航天等軍用民用領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的電子元器件。有許多原因可導(dǎo)致電容器擊穿、開路、電參數(shù)退化、電解液泄漏及機(jī)械損壞等,其失效模式對整機(jī)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(zhì)量成為決定其核心部件整流器壽命的瓶頸。對電容器進(jìn)行可靠性分析和老化測試,已成為相關(guān)產(chǎn)品必不可

6、少的保障手段。電容器失效的主要機(jī)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(xué)報(bào)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(dú)石、云母、玻璃釉、紙質(zhì)等材料為介質(zhì)的各類電容器進(jìn)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(jìn)行電路隔離,然后進(jìn)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(shí)際采用的是交流比較法,即使用穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電源、高精度的標(biāo)準(zhǔn)電容,在不同的測量范圍實(shí)施分檔測試。標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)容易,可靠性強(qiáng)。采用交流比較法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)自動化批量測量,測試時間短,測量范圍寬,通過誤差補(bǔ)償可以達(dá)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(biāo)準(zhǔn)電源C 0標(biāo)準(zhǔn)電容C 2被測電容u 1標(biāo)準(zhǔn)電源電壓u 0標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,電壓頻率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換誤差等因素。VFC 的輸出值K 由后繼通道的計(jì)算機(jī)在線檢測并存儲待用。標(biāo)準(zhǔn)電源

9、的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)電源的電壓有效值是否準(zhǔn)確無關(guān)緊要,關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電源電壓u 1進(jìn)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(jìn)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(shè)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(jìn)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電容C 0上交流電壓經(jīng)整流、濾波、放大和轉(zhuǎn)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(yīng)等于標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(zhuǎn)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(shè)待測電容的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)電容容值,K 1、K r 經(jīng)一次測試后,作為常數(shù)存入計(jì)算機(jī),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(yīng)的K2,即可推算出實(shí)際電容值C。2.1.4電容分檔測試及標(biāo)準(zhǔn)電容的選擇如圖2所示的交流比較法電容測試電路,實(shí)際上是不同測量范圍的分壓法。由于用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓頻率轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電容選擇如表1所示。表1電容分檔范圍和標(biāo)準(zhǔn)電容的選擇檔位容量范圍標(biāo)準(zhǔn)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(shè)V是與K對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(gòu)

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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)電阻,U為漏電流在R 上產(chǎn)生的壓降,R i(i=14為構(gòu)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(jì)算機(jī)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(dá)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(yīng)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(yīng)選用不同的標(biāo)準(zhǔn)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?qū)崿F(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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(shè)置電容擊穿檢測電路進(jìn)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(xué)報(bào)第22卷 圖5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖電路保護(hù)電阻,R6為18的取樣電阻,其上的壓降可通過測試通道由計(jì)算機(jī)檢測。當(dāng)某通道中有電容被擊穿時,流過R6上的電流大于0.8A,計(jì)算機(jī)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(jī)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(jìn)行漏電流檢測,當(dāng)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(yuǎn)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(jìn)入老化狀態(tài)。4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。系統(tǒng)由主控上位機(jī)外加11路專用下位機(jī)(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(jī)控制板、共有測試通道及上位機(jī)七部分組成。烘箱提供老化所需的溫度應(yīng)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(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),使老化電壓的實(shí)際值始終處于設(shè)定范圍內(nèi),并能為老化過程提供兩組電壓值。當(dāng)有電容被擊穿時,使老化電壓脫離閉環(huán)系統(tǒng),實(shí)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(qū)動部分,它接收下位機(jī)控制板的命令,是對

18、電容實(shí)施加電壓老化及分離測試的切換控制執(zhí)行器;下位機(jī)控制板是微機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng),與繼電器控制板和老化板一一對應(yīng),控制系統(tǒng)進(jìn)行老化、測試及篩選。若有電容擊穿或測試超標(biāo),則檢查工位號并送上位機(jī);共有測試通道是各種標(biāo)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(biāo)量;主控計(jì)算機(jī)對電容老化和測試進(jìn)行過程集中管理,通過串行通信向下位機(jī)發(fā)送控制指令,實(shí)施程序設(shè)定的工作路線,并對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)管理,提供屏幕查詢和報(bào)表輸出功能。5結(jié)論經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行和誤差評估,電容器高溫老化測試系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。表3給出了一組典型的測試報(bào)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(biāo)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(biāo),應(yīng)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(jié)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.