電子產品的信賴性提昇與被動元件之電氣測試

˙散熱、耐熱設計不良。導致電容內部溫度升高大約可歸納為以下三個原因，包括：(1)周圍溫度高；(2)因充放電（漣波）電流（IAC）與串聯等效電阻（ESR or Rs）形成之焦耳熱（IAC2 x Rs）；(3)因充電電壓（VC）與漏電流（IL）串聯等效電阻形成之焦耳熱（VC x IL）。內部溫度升高將導致使用液態電解質之鋁電解電容內部壓力升高而使電解液外漏，或甚至爆裂。

˙陽極箔、陰極箔氧化進行：電解電容之氧化膜如果氧化持續進行，將影響電容量C下降及串聯等效電阻ESR增加，而逐漸產生電氣特性變化。

何謂電解電容之高溫負荷試驗？

那麼如何有效評估電解電容之品質？一般以電解電容之高溫負荷試驗（耐久性試驗）最為有效。所謂電解電容之高溫負荷試驗，簡單地說就是將電容置於額定最高使用溫度環境中，以最嚴格的電氣條件進行長時間試驗，觀察其電氣特性之變化是否在合理範圍。

電氣條件：

(1)定交流負荷電流IRMS ==> 最大容許漣波電流；

(2)定峰值負荷電壓Vpeak ≡ VAC_PEAK+ VDC ==> 電容器之額定電壓（VAC_PEAK：IRMS在電容器上產生的交流電壓值; VDC：直流充電電壓）。

試驗前後之差異比較：

(1)漏電流；

(2)靜電容量（C）；

(3)損失因素（D = 2πf x CS x RS）；

(4)外觀。

電解電容之高溫負荷試驗之進行方法

一般電解電容之高溫負荷試驗，皆依循JIS-C 5141同等規範之建議電解電容的耐久性試驗回路，如(圖三)進行。而考量實際進行之精度、測試信賴度及操作便利性，則建議可使用漣波電流測試器，如(圖四)）進行。

《圖三　電解電容的耐久性試驗回路》

《圖四　Chroma 11801漣波電流測試器》

安規電容之耐久性試驗

電子設備之電源輸入端為增加產品抗干擾能力及抑制高頻諧波，在電源之L-N間會並接俗稱之X電容（一般為塑膠膜電容），在電源之L-E間及N-E間會並接俗稱之Y電容（一般為陶磁電容）。一般電源供應環境可能因電力發電或傳輸系統受干擾，或近端使用電力瞬變影響而產生短暫異常高壓。此類電容能否長久承受此變化，亦成為產品長久穩定性之要件。

X、Y電容之耐久性試驗

一般皆依循用EN132400:1995同等規範之X或Y電容之耐久性試驗規範，以下簡單介紹其試驗內容，如(圖五)。常態施予X/Y電容規格電壓的1.25/1.7倍，每一小時插入一個瞬間高壓1000Vac，持續0.1秒，再恢復到正常狀態，持續1000小時。電容在測試過程中不能毀損，測試完後量測其規格特性必須都在標準以內，待測電容在測試連接時須串接47歐姆的電阻，如(圖六)。

《圖五　X、Y電容之耐久性試驗輸出例》

《圖六　X、Y電容之耐久性試驗連接圖》

X、Y電容耐久性試驗之建議電氣測試設備

以下為建議可用於X、Y電容耐久性試驗的電氣測試設備

(1)輸出電壓可連續輸出之可程式交流電壓源。

(2)交流電壓源輸出電壓無法直接提供需求位準，可使用適當容量之升壓變壓器。

(3)軟體監控系統。

繞線元件之脈衝測試

工作於一定交流高壓之變壓器、馬達或電感器等常因工作高壓破壞於層與層之間或繞線間之絕緣材料（漆包、Bobbin、絕緣膠帶或套管等），進而形成短路而導致產品故障。對工作於交流高壓之線圈在生產時未執行充分的高壓耐壓檢驗常是此類品質問題的缺口。技術層面理由大約可歸納如下：

(1)要對單一線圈上直接產生高壓之設備並不普遍。

(2)安規並無明確規範。

(3)如何分辨不良品。

以下介紹較廣泛被利用來檢驗單一線圈之自體絕緣耐壓程度的方法──繞線脈衝測試。

何謂繞線脈衝測試?

首先須在線圈上產生指定規格的高壓，脈衝測試即以一充電的電容快速並加於線圈上，利用線圈抵抗電流變化特性來達到快速電壓印加要求（Ci >> Cw + Cc）。此時，若將單一線圈之等效電路模式簡化為如(圖七)之模式，代表絕緣耐壓狀態之等效並聯電阻R即會在回路上形成。在高壓出現時，若線圈之耐壓不良就會形成電氣崩潰（breakdown）或電氣閃絡（flashover）（參考下一節文章將討論之絕緣材料耐壓不良定義），若發生局部電氣崩潰，等效R值會遠較正常品低。

《圖七　單一線圈之等效電路模式》

＜Ci：測試器內部電容

Cc：測線容量

Cw：線圈並聯容量

R：能量消耗等效並聯電阻＞

在所形成之LCR並聯諧振電壓波形，即會呈現快速衰減，如(圖八)；若發生局部電氣閃絡（因短暫電氣放電而發生電壓瞬間變化）則會在電壓波形呈現不連續之快速變化，如(圖九)。前者在生產不良檢出技術上可使用波形面積（AREA）減少幅度判定。後者則可由波形曲折率（Laplacian）計算直接判定。

《圖八　絕緣R對LCR並聯之影響（局部電氣崩潰）》

《圖九　絕緣R對LCR並聯之影響（局部電氣閃絡）》

必須執行單一線圈耐壓測試之產品例

原則上，絕緣材料之電氣放電或崩潰必須是工作電場強度（電壓差/距離）超過其可承受之強度。對一般繞線元件所使用之絕緣材料而言，使用於通訊或低電壓DC-DC轉換之繞線元件應可不必執行此類測試。理由是，其工作環境中並無足以破壞其絕緣材料之工作電場強度。

但對於常態工作於相對高電壓或常有瞬時高壓產生之繞線元件就必須在其生產過程中進行單一線圈之耐壓測試來確認其長久穩定性。以下簡單列舉幾項產品：

CCFL（冷陰極管）驅動用Inverter變壓器

一般冷陰極管常態工作電壓約在300V～500VRMS、數十kHz。初啟動時，因冷陰極管尚在高阻抗狀態，故一般Inverter模組設計多會控制升壓至遠較常態工作電壓高之電位，待冷陰極管發光之後才逐步降至常態工作電壓之電位。此初始電壓有時會至1500V-peak程度。如何避免此類變壓器因此高電壓而破壞是必須考量的。

其相關電子產品有使用CCFL之液晶電視、顯示器、 Notebook、TV， LCD Monitor等。

SMPS（開關式電源供應器）主變壓器

一般SMPS之電源側常態工作電壓約400Vp-p、數十kHz。在晶體切換時會因為變壓器之漏電感量而產生相當高的反電動勢，通常被抑制至800V以下。但一般SMPS主變壓器高壓側也只設計在約數十圈左右，且出腳繞線路逕常會與起繞相對低壓部份交叉而容易形成相當多高壓差的地方。材料不良或加工疏失很容易造成此類變壓器在這些交叉部份行因絕緣破壞而短路。影響的層面遍及所有使用SMPS之電子產品。

馬達、發電機

馬達可能因供電電源之Surge或機械負載之急變產生之反電動勢導致絕緣破壞。而機械發電機則可能因機械轉速異常或電氣負載之急變產生之反電動勢導致絕緣破壞。充分考慮到可能出現之異常電位之檢驗條件是必要的。影響的層面遍及電動機器、汽車等工業或民生用品。

另外像傳統電視機映像管使用之高壓線圈或靜電產生器用之高壓線圈等因本身之工作電壓非常高，單一線圈之耐壓測試更是不可省略的檢驗程序。

脈衝測試之建議電氣測試設備

舉日本ECG之電氣測試設備為例，該系列產品即提供脈衝測試完整之用以檢出繞線絕緣崩潰之波形面積（AREA）減少幅度判定功能，及用以檢出繞線電氣放電之波形曲折率（Laplacian）計算判定功能。該設備生產建議條件如下：

(1)測試電壓：可能出現最高電壓之2～3倍。

(2)生產檢驗階段：為避免鐵芯影響，建議在鐵芯加入前之空線包成品進行測試。若製程無法分離（如環形線圈），須在成品檢測者須適度在檢驗條件放寬。

(3)建議判定條件：

《公式一》

電氣耐壓測試之Flashover檢出

傳統的電氣耐壓檢驗方式多僅以規定AC/DC電壓加於待測產品，透過電流大小是否抄超出限制值來判定。但這是否完全合乎一般電氣安規檢驗要求？另外在耐壓測試過程是否會對產品造成影響是普遍存在的疑慮。以下即介紹在電氣耐壓檢驗中相當重要的電氣閃絡（flashover）檢出

何謂電氣耐壓不良？

(1)絕緣崩潰（Breakdown）：絕緣材料內部或表面因高電界產生電氣崩潰形成常態導電通路而失去絕緣能力，一般以漏電流大小判定檢出不良。

(2)電氣閃絡（Flashover）：絕緣材料內部或表面因高電界產生電氣放電形成暫態導電通路，以漏電流大小判定常無法檢出不良，須以測試電壓或漏電流之高頻成份檢出判定來檢出不良。

結語

Flashove檢出的目的

由以上可知，只以漏電流大小判定耐壓是不完全符合規範要求的。另外，在交直流耐壓測試過程中發生電氣放電而未被檢出，嚴重者常會造成電子零件或機器在使用初期即出現不良，輕微者亦是長期潛在不良產品，藉由flashover檢出可有效篩選出此類潛在不良產品。

（作者為致茂電子Chroma量測儀器事業部協理）

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