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陶瓷電容的失效與可靠性分析

2018-05-10  瀏覽量:6234

五十路

電流過載 電壓過載 電容可靠性 環境應力 應力裂紋

 

前言

電容是電子設備中主要基礎元件之壹,它廣泛用於電視機、收音機、手機、電子儀器等設備中,用作儲能和傳遞信息,但在使用當中它也會由於壹些內外在因素而失效。電容在各種應力作用下其材料發生物理和化學變化,導致電參數變劣而最後失效,可分為電應力(電流、電壓)和環境應力(濕度、溫度、氣壓、振動和沖擊等)兩種,下面就電容的失效和可靠性作壹簡單分析。

 

壹、電容的主要參數

 

電容的主要參數有:標稱電容量與允許偏差、額定工作電壓、介電強度、損耗、絕緣電阻、電容溫度系數等。 

 

 1、標稱電容量與允許偏差 電容標明的電容量稱為標稱電容量,電容允許偏差的定義是允許容量偏差與標稱容量的比值,壹般用百分數表示。

 

 2、額定工作電壓 在允許的環境條件下,在規定的工作壽命期間,可以連續加在電容上的最大直流電壓或交流電壓的有效值稱為電容的額定工作電壓。額定工作電壓是電容在規定期限內,規定條件下能夠可靠工作的電壓。工作條件或工作期限超過規定範圍時,電容的工作電壓必須隨之而產生相應的變化,否則將會影響電容的工作可靠性。 

 

 3、介電強度 電容承受壹定大小的電場強度(或電壓)而不致被擊穿的能力稱為介電強度,壹般通過耐壓試驗加以考核。通過耐壓試驗,可以快速剔除存在隱患的電容,保證成品電容在使用壽命期間工作的可靠性。 

 

 4、損耗 電場作用下單位時間內電容因發熱而消耗的能量稱為電容的損耗。直流電場作用下主要表現為介質的漏導損耗,交流電場作用下除漏導損耗外,還有介質的極化損耗。此外,還必須計入電容金屬部分(包括接觸電阻)引起的損耗。通常用損耗角正切表示電容的損耗特性。 

 

 5、絕緣性能 表征電容絕緣性能的參數有:絕緣電阻、時間常數和漏電流。電容上所加的直流電壓與所產生的漏電流的比值稱為絕緣電阻。絕緣電阻這種絕緣性指標壹般適用於電容量不大於0.1uF的有機電容以及所有有機電容。時間常數是絕緣電阻與電容量的乘積,它僅取決於介質本身性質,而與電容的幾何尺寸無關。時間常數壹般適用於電容量大於 0.1uF的有機介質電容的絕緣性能指標。對於電解電容,由於其金屬化膜介質存在很多缺陷,無法采用材料特性表征電容絕緣特性,故直接應用漏電流評價電解電容的絕緣性。 

 

6、溫度系數 電容溫度變化壹度時的電容量變化百分率稱為溫度系數。電容的溫度系數大小跟介質材料的溫度特性與電容的結構工藝有關。電容溫度系數應盡可能接近零值。

 

二、陶瓷電容的失效模式及失效機理

 

 1、電容常見的失效模式有:短路、開路、參數(包括電容量、損耗、漏電流等)飄移等。

 

 2、電容常見的失效機理包括:來料本身的缺陷、外加電壓過高、電壓瞬態變化、浪湧電流、功率耗散過大、熱應力、機械應力、汙染等。

 

三、陶瓷電容的失效機理 

 

多層陶瓷電容本身的可靠性較高,可以長時間穩定使用。但如果器件本身存在缺陷或在組裝過程引入缺陷,則會對其可靠性產生嚴重的影響。陶瓷電容常見的失效機理主要有以下幾種: 

 

1、來料本身的缺陷

 

a)陶瓷介質內空洞 

介質內的空洞容易導致漏電,介電強度降低。漏電容易導致電容內局部過熱, 由於熱電的正反饋,進壹步降低陶瓷介質的絕緣性能,導致電容該位置的漏電增加。該過程循環發生,不斷惡化,輕則導致電容的參數飄移(絕緣電阻減小、損耗增大等),重則導致電容介質擊穿,從而使電容兩端電流過大,可能產生爆炸甚至燃燒等過熱燒毀的嚴重後果。陶瓷介質內空洞的案例請參見圖1、圖2的典型形貌:

分析結論:陶瓷貼片電容失效原因是由於電容本身存在缺陷,在極板間存在許多空洞,從而引起漏電流增大,耐電壓降低,進而導致電容兩端電壓大幅度下降。

 

b)分層 

多層陶瓷電容的燒結為多層材料堆疊共燒,燒結溫度可高達 1000℃以上, 燒結工藝的不良容易導致分層的發生,分層和空洞、裂紋的危害相似,都是多層陶瓷電容重要的內在缺陷。分層案例請參見圖3、圖4的典型形貌:

 分析結論:內電極之間有分層,可能與陶瓷燒結工藝不良有關。

 

2、溫度沖擊及機械應力產生的裂紋

 

 溫度沖擊主要是發生在電容焊接過程中,不當的返修也是導致溫度沖擊裂紋的重要產生原因。多層陶瓷電容的特點是能夠承受較大的壓應力,但抵抗彎曲能力較差。電容在組裝過程中任何可能產生彎曲變形的操作都可能導致電容開裂。常見的應力源有:陶瓷電容與印刷電路板材料之間的膨脹系數不同,印刷電路板的機械彎曲, 裝配產生的應力和機械沖擊或振動。 陶瓷電容中機械斷裂的影響要經壹段時間才會顯示出來。例如,如果由於電路板的彎曲導致陶瓷電容的斷裂,那麽,當彎曲力取消時,陶瓷電容就會回到正常位置,這時可能不會引起顯著的電性能變壞。但是,陶瓷電容的兩極極板是平行交錯插入的,只要稍微有錯位,就會引起漏電增大或短路。機械應力產生的裂紋案例請參見圖5、圖6的典型形貌: 

 

 分析結論:陶瓷與電極的交界處有裂紋,這種形貌的裂紋壹般與使用不當有關,電容受機械損傷後,造成電容器擊穿電壓大大降低,上電後甚至電極短路、熔融。

 

3、浪湧電流

 

過強的電流超過了介質局部區域的瞬時功率耗散能力,就會引起熱失控狀態,導致電容燒毀。浪湧電流案例請參見圖7、圖8的典型形貌:

 分析結論:浪湧電流使電容絕緣性下降,造成擊穿短路,在熱應力下炸裂。

 

4、介質擊穿

 

介質擊穿可能是由於過壓狀態或者電容本身來料缺陷引起的。介質擊穿案例請參見圖10、圖11的典型形貌:

 

 分析結論:在研磨過程中發現失效樣品內部陶瓷介質有裂紋,並且擊穿燒毀區域發生在其中壹條裂紋上面。這說明電容的破裂在先,因而造成內電極層間錯位引起兩內電極短路。由於在裂紋中發現有Sn和Cl- ,即焊料和助焊劑已延伸到裂紋中去。這也說明在焊接的時候裂紋應該就已經存在,並不是因為樣品的擊穿而導致裂紋的產生。因此電容失效的原因是,機械應力(包括高溫應力和機械應力) 造成電容開裂,內部電極短路,從而樣品短路燒毀失效。

 

四、參考文獻

GJB 4027A-2006 軍用電子元器件破壞性物理分析方法

 

 

 

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