陶瓷電容器失效模式與分析
從七大原因全面解析陶瓷電容的失效
對于銀電極陶瓷電容器，可能會出現(xiàn)以下的失效形式。
1.潮濕對電參數(shù)惡化的影響
空氣中濕度過高時，水膜凝聚在電容器外殼表面，可使電容器的表面絕緣電阻下降。此外，對于半密封結(jié)構(gòu)電容器來說，水分還可滲透到電容器介質(zhì)內(nèi)部，使電容器介質(zhì)的絕緣電阻絕緣能力下降。因此，高溫、高濕環(huán)境對電容器參數(shù)惡化的影響極為顯著。經(jīng)烘干去濕后電容器的電性能可獲改善，但是水分子電解的后果是無法根除的。例如，電容器的工作于高溫條件下，水分子在電場作用下電解為氫離子（H+）和氫氧根離子（OH-），引線根部產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。即使烘干去濕，也不可能使引線復(fù)原。
2.銀離子遷移的后果
無機介質(zhì)電容器多半采用銀電極，半密封電容器在高溫條件下工作時，滲入電容器內(nèi)部的水分子產(chǎn)生電解。在陽極產(chǎn)生氧化反應(yīng)，銀離子與氫氧根離子結(jié)合生產(chǎn)氫氧化銀；在陰極產(chǎn)生還原反應(yīng)，氫氧化銀與氫離子反應(yīng)生成銀和水。由于電極反應(yīng)，陽極的銀離子不斷向陰極還原成不連續(xù)金屬銀粒，靠水膜連接成樹狀向陽極延伸。銀離子遷移不僅發(fā)生在無機介質(zhì)表面，還能擴散到無機介質(zhì)內(nèi)部，引起漏電流增大，嚴重時可使用兩個銀電極之間完全短路，導(dǎo)致電容器擊穿。
離子遷移可嚴重破壞正電極表面銀層，引線焊點與電極表面銀層之間，間隔著具有半導(dǎo)體性質(zhì)的氧化銀，使無介質(zhì)電容器的等效串聯(lián)電阻增大，金屬部分損耗增加，電容器的損耗角正切值顯著上升。
由于正電極有效面積減小，電容器的電容量會因此而下降。表面絕緣電阻則因無機介質(zhì)電容器兩電極間介質(zhì)表面上存在氧化銀半導(dǎo)體而降低。銀離子遷移嚴重時，兩電極間搭起樹枝狀的銀橋，使電容器的絕緣電阻大幅度下降。
綜上所述，銀離子遷移不僅會使非密封無機介質(zhì)電容器電性能惡化，而且可能引起介質(zhì)擊穿場強下降，最后導(dǎo)致電容器擊穿。
值得一提的是：銀電極低頻陶瓷獨石電容器由于銀離子遷移而引起失效的現(xiàn)象，比其他類型的陶瓷介質(zhì)電容器嚴重得多，原因在于這種電容器的一次燒成工藝與多層貼片結(jié)構(gòu)。銀電極與陶瓷介質(zhì)一次燒結(jié)過程中，銀參與了陶瓷介質(zhì)表面的固相反應(yīng)，滲入了瓷-銀接觸形成界面層。如果陶瓷介質(zhì)不夠致密，則水分滲入后，銀離子遷移不僅可以在陶瓷介質(zhì)表面發(fā)生，還可能穿透陶瓷介質(zhì)層。多層貼片結(jié)構(gòu)的縫隙較多，電極位置不易精確，介質(zhì)表面的留邊量小，貼片層兩端涂覆外電極時銀漿滲入縫隙，降低了介質(zhì)表面的絕緣電阻，并使電極之間的路徑縮短，銀離子遷移時容易產(chǎn)生短路現(xiàn)象。
3.高溫條件下陶瓷電容器擊穿機理
半密封陶瓷電容器在高濕度環(huán)境條件下工作時，發(fā)生擊穿失效是比較普遍的嚴重問題。所發(fā)生的擊穿現(xiàn)象大約可以分為介質(zhì)擊穿和表面極間飛弧擊穿兩類。介質(zhì)擊穿按發(fā)生時間的早晚又可分為早期擊穿與老化擊穿兩種，早期擊穿暴露了電容介質(zhì)材料與生產(chǎn)工藝方面存在的缺陷，這些缺陷導(dǎo)致陶瓷介質(zhì)介電強度顯著降低，以至于在高濕度環(huán)境的電場作用下，電容器在耐壓試驗過程中或工作初期，就產(chǎn)生電擊穿。老化擊穿大多屬于電化學(xué)擊穿范疇。由于陶瓷電容器銀的遷移，陶瓷電容器的電解老化擊穿已成為相當普遍的問題。銀遷移形成的導(dǎo)電樹枝狀物，使漏電流局部增大，可引起熱擊穿，使電容器斷裂或燒毀。熱擊穿現(xiàn)象多發(fā)生在管形或圓片形的小型瓷介質(zhì)電容器中，因為擊穿時局部發(fā)熱嚴重，較薄的管壁或較小的瓷體容易燒毀或斷裂。
此外，以二氧化鈦為主的陶瓷介質(zhì)中，負荷條件下還可能產(chǎn)生二氧化鈦的還原反應(yīng)，使鈦離子由四價變?yōu)槿齼r。陶瓷介質(zhì)的老化顯著降低了電容器的介電強度，可能引起電容器擊穿。因此，這種陶瓷電容器的電解擊穿現(xiàn)象比不含二氧化鈦的陶瓷介質(zhì)電容器更加嚴重。
銀離子遷移使電容器極間邊緣電場發(fā)生嚴重畸變，又因高濕度環(huán)境中陶瓷介質(zhì)表面凝有水膜，使電容器邊緣表面電暈放電電壓顯著下降，工作條件下產(chǎn)生表面極間飛弧現(xiàn)象。嚴重時導(dǎo)致電容器表面極間飛弧擊穿。表面擊穿與電容結(jié)構(gòu)、極間距離、負荷電壓、保護層的疏水性與透濕性等因素有關(guān)。邊緣表面極間飛弧擊穿的主要原因是，介質(zhì)留邊量較小，在潮濕環(huán)境中工作時的銀離子遷移和表面水膜形成使電容器邊緣表面絕緣由于銀離子遷移的產(chǎn)生與發(fā)展需要一段時間，所以在耐壓試驗初期，失效模式以介質(zhì)擊穿為主，直到試驗500h以后，只要失效模式才過度為邊緣表面極間飛弧擊穿。
4.電極材料的改進
陶瓷電容器一直使用銀電極。銀離子遷移和由此而引起含鈦陶瓷介質(zhì)的加速老化是導(dǎo)致陶瓷電容器失效的主要原因。有的廠家生產(chǎn)陶瓷電容器已不用銀電極，而改用鎳電極，在陶瓷基片上采用化學(xué)鍍鎳工藝。由于鎳的化學(xué)穩(wěn)定性比銀好，電遷移率低，提高了陶瓷電容器的性能和可靠性。
又如，以銀做電極的獨石低頻瓷介質(zhì)電容器，由于銀電極和瓷料在900℃下一次燒結(jié)時瓷料欠燒不能獲得致密的陶瓷介質(zhì)，存在較大的氣孔率；此外銀電極常用的助溶劑氧化鋇會滲透到瓷體內(nèi)部，在高溫下依靠氧化鋇和銀之間良好的浸潤“互熔”能力，使電極及介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)熱擴散現(xiàn)象，即宏觀上看到的“瓷吸銀”現(xiàn)象。銀伴隨著氧化鋇進入瓷體中后，大大減薄了介質(zhì)的有效厚度，引起產(chǎn)品絕緣電阻的減少和可靠性的降低。為了提高獨石電容器的可靠性，改用銀-鈀電極代替通常含有氧化鋇的電極，并且在材料配方中添加了1%的5#玻璃粉。消除了在高溫下一次燒結(jié)時金屬電極向瓷介質(zhì)層的熱擴散現(xiàn)象，能促使瓷料燒結(jié)致密化，使得產(chǎn)品的性能和可靠性有較大提高，與原工藝和介質(zhì)材料相比較，電容器的可靠性提高了1~2個數(shù)量級。
5.貼片陶瓷電容器的斷裂
貼片陶瓷電容器最常見的失效是斷裂，這是貼片陶瓷電容器自身介質(zhì)的脆性決定的。由于貼片陶瓷電容器直接焊接在電路板上，直接承受來自電路板的各種機械應(yīng)力，而引線式陶瓷電容器則可以通過引腳吸收來自電路板的機械應(yīng)力。因此，對于貼片陶瓷電容器來說，由于熱膨脹系數(shù)不同或電路板彎曲所造成的機械應(yīng)力將是貼片陶瓷電容器斷裂的最主要因素。
6.貼片陶瓷電容器的斷裂分析
貼片陶瓷電容器機械斷裂后，斷裂處的電極絕緣間距將低于擊穿電壓，會導(dǎo)致兩個或多個電極之間的電弧放電而徹底損壞貼片陶瓷電容器。
貼片陶瓷電容器機械斷裂的防止方法主要有：盡可能地減少電路板的彎曲，減小陶瓷貼片電容在電路板上的應(yīng)力，減小貼片陶瓷電容器與電路板的熱膨脹系數(shù)的差異而引起的機械應(yīng)力。
如何減小貼片陶瓷電容器在電路板上的應(yīng)力將在下面另有敘述，這里不再贅述。減小貼片陶瓷電容器與電路板的熱膨脹系數(shù)的差異而引起的機械應(yīng)力，可以通過選擇封裝尺寸小的電容器來減緩，如鋁基電路板應(yīng)盡可能用1810以下的封裝，如果電容量不夠可以采用多只并聯(lián)的方法或采用貼片的方法解決，也可以采用帶有引腳的封裝形式的陶瓷電容器解決。
7.貼片陶瓷電容器電極端頭被熔淋
在波峰焊焊接貼片陶瓷電容器時可能會出現(xiàn)電極端頭被焊錫熔掉了。其原因主要是波峰焊貼片陶瓷電容器接觸高溫焊錫的時間過長。現(xiàn)在在市場上的貼片陶瓷電容器分為適用于回流焊工藝的和適用于波峰焊工藝的，如果將適用于回流焊工藝的貼片陶瓷電容器用于波峰焊，很可能發(fā)生貼片陶瓷電容器電極端頭的熔淋現(xiàn)象。關(guān)于不同焊接工藝下貼片陶瓷電容器電極端頭可以承受的高溫焊錫的時間特性，在后面的貼片陶瓷電容器的適用注意事項中有詳盡敘述，這里不在贅述。
消除的辦法很簡單，就是在使用波峰焊工藝時，盡可能地使用符合波峰焊工藝的貼片陶瓷電容器；或者盡可能不采用波峰焊工藝。
編輯：admin 最后修改時間：2017-07-27
