电子产品的长久稳定性有赖于良好的产品设计、制造过程及耐久性良好的零组件之使用，但一般的电子零组件通常很难于产出初期评估其长久信赖性。故在产品设计时间对于产品设计进行耐久性评估，以及就质量保证观念在产品大量生产时的抽样耐久性评估，就成为不可或缺且较符合生产效率的做法。
本文将针对重要的电解电容、安规电容（交流电源滤波用X、Y电容）、绕线组件等被动组件，以及在电子产品稳定性占有很重要的电气安规测试等条件，与产品信赖性提升之关联性做说明。
电解电容之耐久性试验
电解电容由于有效电极面积较大、单位体积电容量较高，大量使用于各式电源，而电源是电子设备必备的部份，另外电解电容亦被大量使用于主板及各式电路板之直流稳压等应用，其质量之重要性可想而知。如(图一)为一有极性电解电容的等效电路。
但无论是使用固态电解质或使用液态电解质之电解电容，都有因氧化膜劣化、耐压不良而导致长久稳定性不足之隐忧。另外使用液态电解质之铝电解电容更常见因电解液外漏而导致产品故障之案例，如(图二)。以下即简单说明几种此类电解电容常见之耐久性异常模式。
| 《图二 铝电解电容在主板上因电解液外漏导致PC故障实例》 |
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使用液态电解质之铝电解电容常见之耐久性异常模式
一般使用液态电解质之铝电解电容，常见之耐久性异常模式如下：
- ˙封包不良，电解液外漏。因电解液导电引起周边电路异常，且电解液外漏会导致电容之串联等效电阻升高，增加充放电时发生之热量进而加速电容之劣化。
- ˙氧化膜绝缘不良（化成不良或裁剪毛刺等引起）。氧化膜在高电界下发生局部放电， 进而形成短路。
- ˙散热、耐热设计不良。导致电容内部温度升高大约可归纳为以下三个原因，包括：(1)周围温度高；(2)因充放电（涟波）电流（IAC）与串联等效电阻（ESR or Rs）形成之焦耳热 （IAC2 x Rs）；(3)因充电电压（VC）与漏电流（IL）串联等效电阻形成之焦耳热 （VC x IL）。内部温度升高将导致使用液态电解质之铝电解电容内部压力升高而使电解液外漏，或甚至爆裂。
- ˙阳极箔、阴极箔氧化进行：电解电容之氧化膜如果氧化持续进行，将影响电容量C下降及串联等效电阻ESR增加，而逐渐产生电气特性变化。
何谓电解电容之高温负荷试验？
那么如何有效评估电解电容之质量？一般以电解电容之高温负荷试验（耐久性试验）最为有效。所谓电解电容之高温负荷试验，简单地说就是将电容置于额定最高使用温度环境中，以最严格的电气条件进行长时间试验，观察其电气特性之变化是否在合理范围。
电气条件：
- (1)定交流负荷电流IRMS == 最大容许涟波电流；
- (2)定峰值负荷电压Vpeak ≡ VAC_PEAK+ VDC == 电容器之额定电压（VAC_PEAK：IRMS在电容器上产生的交流电压值; VDC：直流充电电压）。
试验前后之差异比较：
- (1)漏电流；
- (2)静电容量（C）；
- (3)损失因素（D = 2πf x CS x RS）；
- (4)外观。
电解电容之高温负荷试验之进行方法
一般电解电容之高温负荷试验，皆依循JIS-C 5141同等规范之建议电解电容的耐久性试验回路，如(图三)进行。而考虑实际进行之精度、测试信赖度及操作便利性，则建议可使用涟波电流测试器，如(图四)）进行。
安规电容之耐久性试验
电子设备之电源输入端为增加产品抗干扰能力及抑制高频谐波，在电源之L-N间会并接俗称之X电容（一般为塑料膜电容），在电源之L-E间及N-E间会并接俗称之Y电容（一般为陶磁电容）。一般电源供应环境可能因电力发电或传输系统受干扰，或近端使用电力瞬变影响而产生短暂异常高压。此类电容能否长久承受此变化，亦成为产品长久稳定性之要件。
X、Y电容之耐久性试验
一般皆依循用EN132400:1995同等规范之X或Y电容之耐久性试验规范，以下简单介绍其试验内容，如(图五)。常态施予X/Y电容规格电压的1.25/1.7倍，每一小时插入一个瞬间高压1000Vac，持续0.1秒，再恢复到正常状态，持续1000小时。电容在测试过程中不能毁损，测试完后量测其规格特性必须都在标准以内，待测电容在测试连接时须串接47奥姆的电阻，如(图六)。
X、Y电容耐久性试验之建议电气测试设备
以下为建议可用于X、Y电容耐久性试验的电气测试设备
- (1)输出电压可连续输出之可程序交流电压源。
- (2)交流电压源输出电压无法直接提供需求位准， 可使用适当容量之升压变压器。
- (3)软件监控系统。
绕线组件之脉冲测试
工作于一定交流高压之变压器、马达或电感器等常因工作高压破坏于层与层之间或绕线间之绝缘材料（漆包、Bobbin、绝缘胶带或套管等），进而形成短路而导致产品故障。对工作于交流高压之线圈在生产时未执行充分的高压耐压检验常是此类质量问题的缺口。技术层面理由大约可归纳如下：
- (1)要对单一线圈上直接产生高压之设备并不普遍。
- (2)安规并无明确规范。
- (3)如何分辨不良品。
以下介绍较广泛被利用来检验单一线圈之自体绝缘耐压程度的方法──绕线脉冲测试。
何谓绕线脉冲测试?
首先须在线圈上产生指定规格的高压，脉冲测试即以一充电的电容快速并加于线圈上，利用线圈抵抗电流变化特性来达到快速电压印加要求（Ci Cw + Cc）。此时， 若将单一线圈之等效电路模式简化为如(图七)之模式，代表绝缘耐压状态之等效并联电阻R即会在回路上形成。在高压出现时，若线圈之耐压不良就会形成电气崩溃（breakdown）或电气闪络（flashover）（参考下一节文章将讨论之绝缘材料耐压不良定义），若发生局部电气崩溃，等效R值会远较正常品低。
＜Ci：测试器内部电容
Cc：测线容量
Cw：线圈并联容量
R：能量消耗等效并联电阻＞
在所形成之LCR并联谐振电压波形，即会呈现快速衰减，如(图八)；若发生局部电气闪络（因短暂电气放电而发生电压瞬间变化）则会在电压波形呈现不连续之快速变化，如(图九)。前者在生产不良检出技术上可使用波形面积（AREA）减少幅度判定。后者则可由波形曲折率（Laplacian）计算直接判定。
| 《图八 绝缘R对LCR并联之影响（局部电气崩溃）》 |
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| 《图九 绝缘R对LCR并联之影响（局部电气闪络）》 |
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必须执行单一线圈耐压测试之产品例
原则上，绝缘材料之电气放电或崩溃必须是工作电场强度（电压差/距离）超过其可承受之强度。 对一般绕线组件所使用之绝缘材料而言， 使用于通讯或低电压DC-DC转换之绕线组件应可不必执行此类测试。理由是， 其工作环境中并无足以破坏其绝缘材料之工作电场强度。
但对于常态工作于相对高电压或常有瞬时高压产生之绕线组件就必须在其生产过程中进行单一线圈之耐压测试来确认其长久稳定性。以下简单列举几项产品：
CCFL（冷阴极管）驱动用Inverter变压器
一般冷阴极管常态工作电压约在300V～500VRMS、数十kHz。初启动时，因冷阴极管尚在高阻抗状态， 故一般Inverter模块设计多会控制升压至远较常态工作电压高之电位， 待冷阴极管发光之后才逐步降至常态工作电压之电位。此初始电压有时会至1500V-peak程度。如何避免此类变压器因此高电压而破坏是必须考虑的。
其相关电子产品有使用CCFL之液晶电视、显示器、 Notebook、TV， LCD Monitor等。
SMPS（开关式电源供应器）主变压器
一般SMPS之电源侧常态工作电压约400Vp-p、数十kHz。在晶体切换时会因为变压器之漏电感量而产生相当高的反电动势，通常被抑制至800V以下。但一般SMPS主变压器高压侧也只设计在约数十圈左右，且出脚绕线路径常会与起绕相对低压部份交叉而容易形成相当多高压差的地方。材料不良或加工疏失很容易造成此类变压器在这些交叉部份行因绝缘破坏而短路。影响的层面遍及所有使用SMPS之电子产品。
马达、发电机
马达可能因供电电源之Surge或机械负载之急变产生之反电动势导致绝缘破坏。 而机械发电机则可能因机械转速异常或电气负载之急变产生之反电动势导致绝缘破坏。 充分考虑到可能出现之异常电位之检验条件是必要的。影响的层面遍及电动机器、汽车等工业或民生用品。
另外像传统电视机映像管使用之高压线圈或静电产生器用之高压线圈等因本身之工作电压非常高，单一线圈之耐压测试更是不可省略的检验程序。
脉冲测试之建议电气测试设备
举日本ECG之电气测试设备为例，该系列产品即提供脉冲测试完整之用以检出绕线绝缘崩溃之波形面积（AREA）减少幅度判定功能，及用以检出绕线电气放电之波形曲折率（Laplacian）计算判定功能。该设备生产建议条件如下：
- (1)测试电压：可能出现最高电压之2～3倍。
- (2)生产检验阶段：为避免铁芯影响，建议在铁芯加入前之空线包成品进行测试。若制程无法分离（如环形线圈），须在成品检测者须适度在检验条件放宽。
- (3)建议判定条件：
电气耐压测试之Flashover检出
传统的电气耐压检验方式多仅以规定AC/DC电压加于待测产品，透过电流大小是否抄超出限制值来判定。但这是否完全合乎一般电气安规检验要求？另外在耐压测试过程是否会对产品造成影响是普遍存在的疑虑。以下即介绍在电气耐压检验中相当重要的电气闪络（flashover）检出
何谓电气耐压不良？
- (1)绝缘崩溃（Breakdown）：绝缘材料内部或表面因高电界产生电气崩溃形成常态导电通路而失去绝缘能力，一般以漏电流大小判定检出不良。
- (2)电气闪络（Flashover）：绝缘材料内部或表面因高电界产生电气放电形成瞬时导电通路， 以漏电流大小判定常无法检出不良，须以测试电压或漏电流之高频成份检出判定来检出不良。
结语
Flashove检出的目的
由以上可知，只以漏电流大小判定耐压是不完全符合规范要求的。另外，在交直流耐压测试过程中发生电气放电而未被检出，严重者常会造成电子零件或机器在使用初期即出现不良，轻微者亦是长期潜在不良产品，藉由flashover检出可有效筛选出此类潜在不良产品。
（作者为致茂电子Chroma量测仪器事业部协理）
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