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摘 要：从电子元器件的选择、控制和使用等诸多方面讨论电子元器件的应用可靠性，包括质量等级、失效率等级、选择原则与质量控制；微电子器件的应用可靠性（过应力损伤、降额使用、二次筛选）；阻容元件的使用可靠性（电阻器、电位器、电容器）及其他元件的选择和应用（继电器、微波元件、连接器）。
关键词：电子元件；电子器件；可靠性；应用
application reliability of electronic components ＆ devices
han yingqi
(sichuan sre reliability engineering research institute, chengdu of sichuan 610036, china)
abstract: the application reliability of electronic components ＆ devices are discussed as viewed from the selecting,
controlling and use etc, including quality class, failure rate class, selecting principle and quality controlling, application
reliability of microelectronic devices (over stress damage, norm-reductive use, second screening), applied reliability of resistive/capacitivecomponents(resistors,potentiometers,capacitors)andselecting/application of other components (relays, microwave elements, connectors).
keywords：electronic components; electronic devices; reliability; application
4.2电容器
电容器是电子系统不可缺少的基础元件。我国电容器的年产量大约在1100多亿只。电容器的可靠性在整机中起着至关重要的作用。根据国内有关部门公布的1982年到1990年的统计数据，在整机故障中，由于选择和应用方面的原因造成的故障约占电容器总失效率的55％～85％；由于电容器自身质量造成的失效约占15％～45％。由此可以看出，电容器的主要失效原因与选择和使用不当有关。
下面主要介绍用量较多的电解电容器、无机介质的低压瓷介电容器，云母电容器及有机介质的聚碳酸酯电容器的合理选择和正确使用。为了便于使用者了解和掌握电容器的主要技术性能，首先介绍电容器的主要技术性能指标。
4.2.1电容器的主要技术性能指标
1）电容量
电容是用电荷q和加在电极上的电压u的比值来表示的，即
c=q/u
式中，q是电量（单位是库仑）；
u是加在电容器上的电压（单位是伏特）；
c是电容量（单位是法拉）。
电容量是指电容器加上电压后贮存电量的能力。最简单的电容器是由两个金属电极和夹在中间的电介质构成的。在两个电极上加上电压，电极上就贮存电荷。对于理想的电容器，其容量与电极面积和介电常数成正比，与电极之间的距离成反比。因此，理想电容器的电容量是几何尺寸的函数，而不取决于所施加的电压。下面是以平行板电容器为例的计算公式：
c=ε·s/4π·d=0.0795ε·s/d
式中，c是电容量（单位是μf）；
s是电极面积（单位是cm2）；
d是介质厚度（单位为cm2）
ε是介电常数。
在实际电路中，由于电容器要消耗一定的能量，并具有一定的电感，因此，在交流电路中，它并不是纯容抗，而是一个复杂的纯阻抗形式。所以，电容器的容量应在实际使用频率条件下进行测量，否则，测得的电容量不是实际电路中的容量。
2）电容器的损耗
电容器在电场作用下要消耗一定的能量。把电容器在单位时间内因发热而消耗的能量叫做电容器的损耗。但是，只考虑损耗有功功率的大小，而不考虑电容器储存无功功率的能力，就不能全面评价电容器的质量。损耗角正切用有功功率p与无功功率pq之比来表示，即 coordsize="21600,21600" o:spt="75" o:preferrelative="t" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" filled="f" stroked="f"> 
损耗角正切的大小是衡量电容器品质的一项重要指标。损耗愈大，电容器发热愈严重，表明电容器传递能量效率愈差，失效率愈高。
对高频电容器的评价，有时采用品质因数q作为评价质量的指标，其定义是电容器在电场中的无功功率与损失的有功功率之比，即 id="_x0000_i1026" type="#_x0000_t75" alt="" style='width:126pt;height:18pt'> 
显然，q值越大越好。电容器在高频条件下工作，频率愈高，损耗愈大，温升愈快，不仅使有效电容量减小，而且有导致电容器击穿的危险。
3）电容器的绝缘电阻及漏电流
绝缘电阻是电容器绝缘性能的一项重要质量指标。在直流电压下，是电容器两个引出电极之间的电阻。一般取决于介质电阻和绝缘子漏电阻的并联电阻。在一般情况下，绝缘子电阻比较大，所以主要取决于介质种类、温度、电压及充电时间。潮湿可降低电容器的绝缘电阻，在沿海一带使用的电子设备，除了选择介质高的绝缘材料电容器外，最好选择全密封结构的电容器。
对于电解电容器，其绝缘性能一般用漏电流来表示。这主要是因为电解电容器的介质是金属氧化膜，根据其漏电流值的大小，来评价绝缘电阻。电解电容器的漏电流与容量和施加的电压有关。漏电流的计算公式为
i=k·c·u
式中，k是常数，由介质类型决定，是电容器时间常数的倒数。
电容器的漏电流主要是由于所使用的原材料中存在孔洞、疵点、裂缝引起的，电容器的漏电流就是通过以上这些缺陷形成的。
对大容量的有机介质电容器，如纸介、有机薄膜、聚碳酸酯等介质的电容器，通常用时间常数τ=r·c表示其绝缘质量；对小容量电容器，如瓷介、云母介质的电容器，可直接用绝缘电阻来表示；电解电容器用漏电流表示。
用相同材料制成的不同容量的电容器的体积电阻pv不同，容量愈大，其体积电阻pv愈小。若用测试大容量与小容量的绝缘电阻数值来评价其绝缘性能，显然是不合理的。
4）电容器的额定工作电压、击穿电压及试验电压
电容器的额定工作电压ur是指电容器在规定的条件下及规定的时间内能可靠工作的最高工作电压。击穿电压是当电容器上施加的电压达到击穿电压ub时漏导的稳态被破坏、漏电流急剧增加某一规定值时的电压。试验电压ut是在电容器批量生产中验证批电容器承受电压是否符合要求而抽样试验所施加的电压，一般按标准加一分钟直流电压。
额定工作电压ur与击穿电压ub的关系用下式表示：
ub/ur=k2
式中，k2是额定工作电压对击穿电压的安全系数。
不同介质的老化程度不同，k值也不相同。有机介质电容器，由于介质的介质强度随时间迅速降低，通常取ub=3ur。气体和固体无机介质电容器，由于介质老化缓慢，通常取ub=（1.5～2）ur。
试验电压ut与击穿电压ub的关系用下式表示：
式中，k1是安全系数。对于介质厚度较小和面积较小的电容器，k值应不低于2。
为了保证电容器能长期可靠的工作，既要保证在瞬时过压时不发生击穿，又要保证在长期工作条件下不发生击穿，在选用电容器时，应正确选用电容器的三种电压。
5）电容器的阻抗频率特性
在评价电容器的性能时，除以上介绍的几项质量指标外，还应考虑阻抗频率特性。阻抗除与容量大小有关外，也与等效串联电阻及电容器的固有电感有关。要使通过电容器的纹波电流不引起极大的功率损耗，电容器的等效串联电阻也必须足够小。我们将电容器的阻抗z、固有电感l和等效串联电阻rs、固有谐振频率fo统称为电容器的高频参数。在应用时，所用频率应低于电容器的谐振频率，使电路呈现容性阻抗。电容器的阻抗频率特性既可表征电容器在电路中的作用，同时也反映了电容器的工艺和结构的合理程度。
电容器的大多数特性在某种程度上受频率的影响，主要是与电容器的分布参数有关，图3示出电容器的简化等效电路，其中，rs是等效串联电阻；l是分布电感；c是电容量；rp是并联电阻。
在直流或低频条件下，rs和l与c相比可以忽略不计。随着频率的增高，rs和l都要随之增大。而电路中的容抗xc的值将减小，而感抗xl值则增加。这表明（xc-xl）2随频率的增加而减小，当频率增加到某个数值时，（xc-xl）2=0时，电容器将出现谐振即阻抗z=rs，此时的频率f0为电容器的谐振点。如果使用的电容器在谐振频率以上，对电路来讲电容器已变成电感。
由于大多数材料的介电常数随频率变化，因此，电容量也要受频率影响。所以，所有电容器都有工作频率的限制，区分为高频电容器和低频电容器。
4.2.2电容器的分类和命名方法
1）电容器的分类
电容器的分类方法很多，由于电容器的电性能主要取决于电介质的材料，因此，一般按电容器的介质分类比较合理。电容器按介质材料可分为三大类，即有机介质电容器、无机介质电容器和电介质电容器。
有机介质电容器按材料性质分为三种类型：一是以天然纤维材料为介质的电容器，如各种纸介质电容器和金属化纸介电容器等；二是以人工合成的高分子化合物材料为介质的电容器，如聚酯膜、聚丙烯等各种有机薄膜电容器；三是以复合材料为介质的电容器，如纸膜、膜膜复合介质电容器等。
无机介质电容器通常包括瓷介电容器、云母电容器、玻璃釉电容器和玻璃膜电容器。在以上三种类型的电容器中，瓷介电容器的发展最快，产量最多，用途最广。近几年，瓷介电容器不断发展更新，其他三种电容器产量逐年下降，玻璃釉电容器逐步被淘汰。
电解电容器与有机和无机电容器的不同之处是介质材料，是经过特殊工艺处理后生成的金属氧化物，一个电极是金属电极，另一个电极是固体或液体电解质，所以有正负极性之分。
除按介质分类外，也有按用途及固定电容和可变电容分类的，本文不再详述。
2）电容器的命名方法
按国标gb2470—81电容器型号命名方法，电容器型号由四部分组成，第一部分是主称，用字母c表示。第二部分表示材料：c表示高频陶瓷；t表示低频陶瓷；d表示铝电介；a表示钽电介；z表示纸介；j表示金属化纸介；y表示云母；h表示纸膜复合；i表示玻璃釉；q表示漆膜；l表示聚酯薄膜。第三部分是类别：1表示圆形；2表示管形；3表示叠片；4表示独石；5表示串心；6表示支柱；8表示高压；w表示微调；g表示高功率。
另外，质量等级标志：k表示国军标产品；g表示七专产品。
下面是型号命名实例：
4.2.3电解电容器
电解电容器与其他介质的电容器相比，其最大优点是电容量大、体积小，有自愈特性，单位容量成本低。电解电容器与有机介质或无机介质电容器的显著差异是一个电极用固体或液体电解质而不是用金属极板（箔）制成。电解电容器的介质材料是用经过特殊工艺处理利用其电化学作用生成的金属氧化膜，利用其单项导电特性作为介质。电解电容器的另一个电极是金属制成的，所以大多数电解电容器有正负极之分，只有少数电解电容器是无极性的。下面分别介绍电解电容器的选择和应用。
1）电解电容器的选择
要合理选择电容器就必须了解电解电容器的主要技术性能。为了便于设计师对电解电容器的基本性能进行选择和对各种不同类型的电解电容器进行比较，表16列出三种类型电解电容器的基本性能。
电解电容器分为铝电解电容器和钽电解电容器两大类。钽电解电容器又分为固体钽电解电容器和液体钽电解电容器。
铝电解电容器的主要优点是价格低、产量大、重量轻，有自愈特性。其缺点是介质损耗大、绝缘性能差（漏电流大）、容量偏差大、有搁置效应。加之用铝作外壳，可靠性较差，适用环境温度范围窄，尤其是负温度特性差，一般为－20℃，（个别种品可到－40℃，国军标cdk系列为－55℃）。所以，只适用于对环境条件要求不高的一般民用电子产品及对可靠性要求不高的部份地面军用电子系统。
钽电解电容器与铝电解电容器相比，其优点是环境温度范围宽，一般为－55℃—＋125℃；钽氧化膜的绝缘电阻是铝氧化膜的2倍，故漏电流小；在半导体器件工作电压范围内（指150v以下）相同容量的钽电容器比铝电解电容器的体积小2倍。加之损耗小、性能稳定、寿命长、可靠性高，所以，钽电解电容器适用于航空、航天及大批的军用电子设备及少量的民用整机。其缺点是价格高，使民用电子整机受到成本的限制，用量极少。由于ca42钽电解电容器采用环氧树脂包封，大大降低了固体钽电容器的价格，所以，部分民用整机已批量采用，大大提高了民用电子整机的可靠性。但是，ca42环氧树脂固体钽电容器是非密封元件，工作环境恶劣的航天、航空及军用整机应当采用全密封钽电解电容器。
电解电容器的介质损耗大，容量误差大，绝缘性能差，最适合用在50hz～100hz的工频电源中或对容量误差要求不高的低频电路中。
在选择电解电容器时，必须从整机的工作环境条件、电性能要求、体积、重量、可靠性要求及成本等综合权衡。
对于航天、航空电子设备及军用电子装备，应选用符合军用标准并经权威机构认证合格的产品。对于要求小型化的整机，不能只为了体积小而忽略环境条件及其他要求，否则，整机可靠性无法保证。对于有些民用产品，由于考虑到市场的激烈竞争，电子元件价格的高低成为选择的重要因素，往往为了降低价格而牺牲性能，建议对电解电容器的选择可降低对容量误差的要求，因为大部分电解电容器一般都用在电源滤波及低频旁路电路中，容量误差大小对电性能的影响比较小，千万不要牺牲可靠性来换取低价格。
由于液体钽电容器的漏电流小、单位体积电容量与工作电压的乘积特别大，尤其适合在中高压条件下要求大容量的电路中。但是，这种电容器有酸性液体，一旦发生漏液，能使印制板连线短路，使整机发生严重故障。所以，在有些航天、航空及军用电子设备中禁止采用液体钽电容器。
随着科技的发展，有些单位基本上解决了液体钽电容器的密封问题，达到国军标要求，可靠性维持在六级水平，所以，在航天产品中已开始采用。但是，在上机前一定要进行密封检漏筛选，并在设计时采用较大的降额。如果达到以上要求，一般可靠性是有保障的
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