電容器的失效機(jī)理分析
電容器是電子設(shè)備中的重要元件。電容器種類較多，它們的主要失效模式和機(jī)理都不盡相同。常見的失效模式有擊穿短路、開路、電參數(shù)退化（容量變化、損耗角正切值增大、漏電流增大和絕緣電阻下降），電解液泄漏和引線腐蝕斷裂等。
開路和短路一類突然發(fā)生并完全失去功能的失效叫做致命失效（完全失效），因電參數(shù)超差而逐漸失去功能的失效叫做退化失效（部分失效）。其中致命失效危害極大，但退化失效往往是致命性失效的誘因和預(yù)兆。
電容器在工作應(yīng)力（電壓、電流、脈沖電壓、高頻電流、脈動(dòng)電壓）和環(huán)境應(yīng)力（溫度、相對(duì)濕度、日照、時(shí)間、振動(dòng)、沖擊、霉菌及有害氣體）的共同作用下會(huì)分別或同時(shí)發(fā)生某些失效模式和失效機(jī)理，隨著時(shí)間推移一種失效機(jī)理還會(huì)衍生出另一種失效機(jī)理。即使在一種應(yīng)力作用下也能夠同時(shí)誘發(fā)兩種以上的失效機(jī)理。由于各種電容器的材料結(jié)構(gòu)、制造工藝、性能和使用環(huán)境及條件的不同，其失效模式和機(jī)理也不相同。結(jié)合電容器的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有幾種應(yīng)力在激發(fā)電子元器件的內(nèi)部缺陷方面特別有效。因此通常僅用幾種典型應(yīng)力進(jìn)行篩選。
1.1 溫度沖擊
溫度沖擊的目的是測(cè)定元器件承受極高溫和極低溫的能力，以及極高、低溫交替變化對(duì)器件的影響。溫度沖擊期間產(chǎn)生的電性能和外形損壞的變化，主要是由尺寸和其他物理性能變化引起的。
1.2 高溫負(fù)荷
高溫老化是一種靜態(tài)工藝，這種方法是使元器件在規(guī)定高溫下連續(xù)不斷的工作，以迫使早期故障出現(xiàn)。其篩選機(jī)理是通過(guò)提供額外的熱作用，迫使缺陷發(fā)展。高溫老化篩選是析出電子元器件缺陷的有效方法，廣泛用于元器件的篩選
。
2 失效模式和機(jī)理分析
現(xiàn)在我就將各種電容器的主要失效模式和失效機(jī)理結(jié)合我所的實(shí)際**作進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的分析。
2.1 固體鉭電解電容器的失效機(jī)理
固體鉭電解電容器的陽(yáng)極是鉭粉經(jīng)壓鑄和高溫?zé)Y(jié)后形成的鉭柱（或塊），電介質(zhì)是鉭柱表面的五氧化二鉭（Ta2O5）薄膜，電解質(zhì)為二氧化錳。固體鉭電容器的失效機(jī)理與結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝和使用條件有密切關(guān)系。在可靠性試驗(yàn)和使用過(guò)程中的主要失效模式為瞬時(shí)短路、突然擊穿、漏電流增大和損耗角正切值增加等。
2.1.1 瞬時(shí)短路
瞬時(shí)短路是固體鉭電解電容器的常見失效模式，它對(duì)電子產(chǎn)品的危害極大，其短路時(shí)間在數(shù)毫秒至幾十微秒之間，漏電流從微安量級(jí)突然上升到毫安甚至安培量級(jí)。雖然這種瞬時(shí)短路不會(huì)引起電容器的致命失效。但對(duì)電子設(shè)備的工作卻造成了嚴(yán)重干擾，使電子設(shè)備出現(xiàn)故障。
瞬時(shí)短路的原因是鉭芯表面的Ta2O5 膜存在疵點(diǎn)或缺陷。疵點(diǎn)或缺陷的出現(xiàn)是由于鉭材料不純或工藝不當(dāng)?shù)仍蛞肓穗s質(zhì)，或產(chǎn)生裂縫，孔洞等缺陷所造成。
針對(duì)瞬時(shí)短路，我們采用高溫負(fù)荷的手段，在應(yīng)力條件下加高溫及多倍的電壓，剔除瞬時(shí)短路。在高溫下，留下的雜質(zhì)與鉭金屬形成溶體，或以晶界夾雜物形式存在，由于電流集中在雜質(zhì)存在的部位，產(chǎn)生局部發(fā)熱，引起氧化膜出現(xiàn)裂紋和裂縫，氧化錳顆粒就會(huì)乘機(jī)進(jìn)入縫隙，致使漏電流增大。
2.1.2 突然擊穿
突然擊穿的原因是五氧化二鉭薄膜上的晶化點(diǎn)逐漸增大。當(dāng)達(dá)到頂破無(wú)定性膜時(shí)就立即產(chǎn)生雪崩式熱擊穿，因短路面積較大，氧化錳的局部自愈作用無(wú)法修復(fù)，所以導(dǎo)致電容器發(fā)生致命性失效。通過(guò)高溫負(fù)荷手段，同樣可以剔除那些短路但無(wú)法自愈而導(dǎo)致突然擊穿所損壞的器件。
2.1.3 損耗角增大引起的失效
固體鉭電解電容器的劣化失效主要是由損耗角正切值增大引起。損耗增大對(duì)高頻特性危害極大，損耗包括五氧化二鉭膜的介質(zhì)損耗，金屬導(dǎo)線焊接部位和顆粒層之間的接觸電阻損耗。
當(dāng)電容器內(nèi)部有接觸不良時(shí)，損耗角正切值將產(chǎn)生跳變或漂移。針對(duì)損耗角的問(wèn)題，我們采用溫度沖擊的手段，通過(guò)加以相應(yīng)的高溫及低溫的反復(fù)沖擊，剔除由于氧化錳層質(zhì)量較差，與五氧化二鉭膨脹系數(shù)相差較大，而造成的接觸不良和結(jié)合不牢。
2.2 鋁電解電容器的失效機(jī)理
鋁電解電容器的正極基體是高純鋁箔，電介質(zhì)是鋁箔表面形成的三氧化二鋁膜，陰極是具有一定粘度的溶體電解質(zhì)。鋁電解電容器在電子設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛。其失效模式和機(jī)理敘述如下。
2.2.1 擊穿
引起擊穿的原因有原材料有雜質(zhì)或制造缺陷等原因，因而產(chǎn)生一些極微小的孔洞甚至成為穿孔，結(jié)果導(dǎo)致電解液直接和陽(yáng)極接觸而擊穿。同鉭電解電容手段一致，針對(duì)擊穿，我們采用高溫負(fù)荷的手段，在應(yīng)力條件下加高溫及多倍的電壓，如果氧化膜表面存在雜質(zhì)離子或其它缺陷，將會(huì)產(chǎn)生一些極微小的孔洞甚至成為穿孔，結(jié)果導(dǎo)致?lián)舸?/p>
2.2.2 漏液
鋁電解電容器工作是類似于一個(gè)電解槽，工作電壓越高時(shí)間越長(zhǎng)，在正、負(fù)極上產(chǎn)生的氣體就越多，其中多數(shù)氣體用來(lái)修補(bǔ)介質(zhì)氧化膜缺陷，少數(shù)氣體被釋放出來(lái)并儲(chǔ)存在電容器內(nèi)部的空腔內(nèi)。如果氧化膜有縫隙、孔洞和疵點(diǎn)之類缺陷，將導(dǎo)致電容器因漏電流增大而產(chǎn)生更多的氣體和熱量，因而在電容器內(nèi)部引起較高氣壓，當(dāng)氣壓增加到一定程度時(shí)就會(huì)帶著電解質(zhì)一并擠出外殼出現(xiàn)漏液。
漏液不僅造成了電容器周圍的元器件和印制板的腐蝕，而且會(huì)使電容器的電解質(zhì)干涸，導(dǎo)致電容器喪失自愈能力，電容值下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐砷_路失效。我們通常是通過(guò)溫度沖擊對(duì)鋁電解電容的外殼的密閉性進(jìn)行考核, 而通過(guò)高溫負(fù)荷對(duì)漏液的問(wèn)題進(jìn)行解決。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-12-13
