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          電感的失效分析

          2017-03-30

          1、電感本質

          我們通常所說的電感指的是電感器件,它是用絕緣導線(例如漆包線,沙包線等)繞制而成的電磁感應元件。

          ?????? 在電路中,當電流流過導體時,會產生電磁場,電磁場的大小除以電流的大小就是電感。

          ??????電感是衡量線圈產生電磁感應能力的物理量。給一個線圈通入電流,線圈周圍就會產生磁場,線圈就有磁通量通過。通入線圈的電源越大,磁場就越強,通過線圈的磁通量就越大。實驗證明,通過線圈的磁通量和通入的電流是成正比的,它們的比值叫做自感系數,也叫做電感。


          1.2 電感分類

          按電感形式 分類:固定電感、可變電感。

          按導磁體性質分類:空芯線圈、鐵氧體線圈、鐵芯線圈、銅芯線圈。

          按工作性質 分類:天線線圈、振蕩線圈、扼流線圈、陷波線圈、偏轉線圈。

          按繞線結構 分類:單層線圈、多層線圈、蜂房式線圈。

          按工作頻率 分類:高頻線圈、低頻線圈。

          按結構特點 分類:磁芯線圈、可變電感線圈、色碼電感線圈、無磁芯線圈等。


          空心電感,磁芯電感和銅芯電感一般為中頻或高頻電感而鐵心電感多數為低頻電感



          1.3電感的材質及工藝

          ?????? 電感器一般由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、磁心等組成。

          1)骨架:泛指繞制線圈的支架。通常是采用塑料、膠木、陶瓷制成,根據實際需要可以制成不同的形狀。小型電感器一般不使用骨架,而是直接將漆包線繞在磁心上??招碾姼衅鞑挥么判?、骨架和屏蔽罩等,而是先在模具上繞好后再? 脫去模具,并將線圈各圈之間拉開一定距離。


          2)繞組:指具有規定功能的一組線圈,有單層和多層之分。單層有密繞和間繞兩種形式;多層有分層平繞、亂繞、蜂??房式繞法等多種。


          3)磁心:一般采用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體等材料,它有“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等多種形狀。

          鐵心:主要有硅鋼片、坡莫合金等,其外形多為“E”型。



          4)屏蔽罩:用于為避免有些電感器在工作時產生的磁場影響其它電路及元器件正常工作。采用屏蔽罩的電感器,會增加線圈的損耗,使Q值降低。

          5)封裝材料:有些電感器(如色碼電感器、色環電感器等)繞制好后,用封裝材料將線圈和磁心等密封起來。封裝材料采用塑料或環氧樹脂等。




          1.4 電感主要參數


          1)電感量:也稱自感系數,是表示電感器產生自感應能力的一個物理量。

          電感量的大小,主要取決于線圈的圈數、繞制方式、有無磁心及磁心的材料等等。通常,線圈圈數越多、繞制的線圈越密集,電感量就越大。有磁心的線圈比無磁心的線圈電感量大;磁心導磁率越大的線圈,電感量也越大。


          應用的工作頻率越高電感的尺寸可以越小


          同樣的阻抗值,頻率越高,感值越小

          感值小,圈數可減小,電感的尺寸就可以做小

          感值小,材質的導磁率亦不用太高

          (材質的導磁率越高,越不適合在高頻工作)


          2)允許偏差:指電感上標稱的電感量與實際電感的允許誤差值。一般用于振蕩或濾波等電路中的電感要求精度較高,?允許偏差為±0.2%~±0.5%;而用于耦合、高頻阻流等線圈的精度要求不高;允許偏差為±10%~15%。


          3)固有頻率:電感的等效電路實際上是電感與電容的并聯諧振電路,其震蕩頻率

          f0=? ?即是固有頻率。

          也定義為感抗和容抗相等時對應的自諧振頻率。使用電感線圈時,為保障線圈的電感量穩定,應使線 圈的工作頻率遠低于固有頻率。


          4)分布電容:指線圈的匝與匝之間、線圈與磁心之間存在的電容。電感的分布電容越小,其穩定性越好。?

          減小分布電容的方法:

          1)如果磁性是導體,用介電常數低的材料

          2)起始端與終止端遠離(夾角>40°)

          3)盡量單層繞制,并增加匝間距離

          4)多層繞制時,采用漸進方式繞,避免來回繞制


          5)直流電阻Rdc:指直流狀態下測量器件的電阻值為直流電阻,表征器件內部線圈的質量狀況。


          6)阻抗Z:表征的是給定頻率下元件對流經其本身的交流電流的總抵抗能力。


          7)品質因數:也稱Q值,是衡量電感質量的主要參數。它是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時,所呈現的感抗與其等效損耗電阻之比。


          ??電感器的Q值越高,其損耗越小,效率越高。在實際當中,Q不僅只與線圈的 直流電阻有關,還包括線圈骨架的介質損耗,鐵芯和屏蔽的損耗以及在高頻條件下工作時的趨膚效應等因素有關,提高線圈的Q值,并不是一件很容易的事情。??


          實際電感的應用選擇必須同時兼顧較小的電感量波動與較高的Q值。



          8)額定電流Ir:指電感正常工作時反允許通過的**電流。若工作電流超過額定電流,則電感器就會因發熱而使性能參數發生改變,甚至還會因過流而燒毀。


          電感失效分析

          電感器失效模式:電感量和其他性能的超差、開路、短路


          模壓繞線片式電感失效機理:

          1.磁芯在加工過程中產生的機械應力較大,未得到釋放

          2.磁芯內有雜質或空洞磁芯材料本身不均勻,影響磁芯的磁場狀況,使磁芯的磁導率發生了偏差;

          3.由于燒結后產生的燒結裂紋;

          4.銅線與銅帶浸焊連接時,線圈部分濺到錫液,融化了漆包線的絕緣層,造成短路;

          5.銅線纖細,在與銅帶連接時,造成假焊,開路失效

          1、耐焊性

          低頻片感經回流焊后感量上升???<? 20

          由于回流焊的溫度超過了低頻片感材料的居里溫度,出現退磁現象。片感退磁后,片感材料的磁導率恢復到**值,感量上升。一般要求的控制范圍是片感耐焊接熱后,感量上升幅度小于20%。

          耐焊性可能造成的問題是有時小批量手工焊時,電路性能全部合格(此時片感未整體加熱,感量上升?。?。但大批量貼片時,發現有部分電路性能下降。這可能是由于過回流焊后,片感感量會上升,影響了線路的性能。在對片感感量精度要求較嚴格的地方(如信號接收發射電路),應加大對片感耐焊性的關注。

          檢測方法:先測量片感在常溫時的感量值,再將片感浸入熔化的焊錫罐里10秒鐘左右,取出。待片感徹底冷卻后,測量片感新的感量值。感量增大的百分比既為該片感的耐焊性大小


          2、可焊性

          電鍍簡介

          ??????? 當達到回流焊的溫度時,金屬銀(Ag)會跟金屬錫(Sn)反應形成共熔物,因此不能在片感的銀端頭上直接鍍錫。而是在銀端頭上先鍍鎳(2um 左右) ,形成隔絕層,然后再鍍錫(4-8um )。

          可焊性檢測

          ??????? 將待檢測的片感的端頭用酒精清洗干凈,將片感在熔化的焊錫罐中浸入4秒鐘左右,取出。如果片感端頭的焊錫覆蓋率達到90%以上,則可焊性合格。

          可焊性不良

          1)端頭氧化:當片感受高溫、潮濕、化學品、氧化性氣體(SO2、NO2等)的影響, 或保存時間過長,造成片感端頭上的金屬Sn氧化成SnO2,片感端頭變暗。由于SnO2不和Sn、 Ag、Cu等生成共熔物,導致片感可焊性下降。片感產品保質期:半年。如果片感端頭被污染,比如油性物質,溶劑等,也會造成可焊性下降

          2)鍍鎳層太薄,吃銀:如果鍍鎳時,鎳層太薄不能起隔離作用?;亓骱笗r,片感端頭上的Sn和自身的Ag首先反應,而影響了片感端頭上的Sn和焊盤上的焊膏共熔,造成吃銀現象,片感的可焊性下降。

          判斷方法:將片感浸入熔化的焊錫罐中幾秒鐘,取出。如發現端頭出現坑洼情況,甚至出現瓷體外露,則可判斷是出現吃銀現象的。



          3、焊接不良

          內應力????

          如果片感在制作過程中產生了較大的內部應力,且未采取措施消除應力,在回流焊過程中,貼好的片感會因為內應力的影響產生立片,俗稱立碑效應。


          判斷片感是否存在較大的內應力,可采取一個較簡便的方法:

          ???? 取幾百只的片感,放入一般的烤箱或低溫爐中,升溫至230℃左右,保溫,觀察爐內情況。如聽見噼噼叭叭的響聲,甚至有片子跳起來的聲音,說明產品有較大的內應力。

          元件變形

          ? 如果片感產品有彎曲變形,焊接時會有放大效應。

          焊接不良、虛焊


          焊接正常



          ?????????? 焊盤設計不當


          a.焊盤兩端應對稱設計,避免大小不一,否則兩端的熔融時間和潤濕力會不同

          b.焊合的長度在0.3mm以上(即片感的金屬端頭和焊盤的重合長度)

          c.焊盤余地的長度盡量小,一般不超過0.5mm。

          d.焊盤的本身寬度不宜太寬,其合理寬度和MLCI寬度相比,不宜超過0.25mm


          貼片不良

          ??????? 當貼片時,由于焊墊的不平或焊膏的滑動,造成片感偏移了θ角。由于焊墊熔融時產生的潤濕力,可能形成以上三種情況,其中自行歸正為主,但有時會出現拉的更斜,或者單點拉正的情況,片感被拉到一個焊盤上,甚至被拉起來,斜立或直立(立碑現象)。目前帶θ角偏移視覺檢測的貼片機可減少此類失效的發生





          焊接溫度

          ???????回流焊機的焊接溫度曲線須根據焊料的要求設定,應該盡量保證片感兩端的焊料同時熔融,以避免兩端產生潤濕力的時間不同,導致片感在焊接過程中出現移位。如出現焊接不良,可先確認一下,回流焊機溫度是否出現異常,或者焊料有所變更。


          電感在急冷、急熱或局部加熱的情況下易破損,因此焊接時應特別注意焊接溫度的控制,同時盡可能縮短焊接接觸時間


          回流焊推薦溫度曲線


          手工焊推薦溫度曲線



          4、上機開路

          ??????????虛焊、焊接接觸不良???????????????

          從線路板上取下片感測試,片感性能是否正常


          電流燒穿? ? ??? ? ? ? ??

          如選取的片感,磁珠的額定電流較小,或電路中存在大的沖擊電流會造成電流燒穿,片感或磁珠?? 失效,導致電路開路。 從線路板上取下片感測試,片感失效,有時有燒壞的痕跡。如果出現電流燒穿,失效的產品數量會較多,同批次中失效產品一般達到百分級以上。



          焊接開路??? ? ? ? ? ? ????????

          回流焊時急冷急熱,使片感內部產生應力,導致有極少部分的內部存在開路隱患的片感的缺陷變大,造成片感開路。從線路板上取下片感測試,片感失效。如果出現焊接開路,失效的產品數量一般較少,同批次中失效產品一般小于千分級。


          5、磁體破損


          磁體強度

          片感燒結不好或其它原因,造成瓷體強度不夠,脆性大,在貼片時,或產品受外力沖擊造成瓷體破損????????

          附著力???????????????

          ??????如果片感端頭銀層的附著力差,回流焊時,片感急冷急熱,熱脹冷縮產生應力,以及瓷體受外力沖擊,均有可能會造成片感端頭和瓷體分離、脫落;或者焊盤太大,回流焊時,焊膏熔融和端頭反應時產生的潤濕力大于端頭附著力,造成端頭破壞。

          片感過燒或生燒,或者制造過程中,內部產生微裂紋?;亓骱笗r急冷急熱,使片感內部產生應力,出現晶裂,或微裂紋擴大,造成瓷體破損



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