陶瓷电容的失效与可靠性分析

关键词

电流过载 电压过载 电容可靠性 环境应力 应力裂纹

前言

电容是电子设备中主要基础元件之一，它广泛用于电视机、收音机、手机、电子仪器等设备中，用作储能和传递信息，但在使用当中它也会由于一些内外在因素而失效。电容在各种应力作用下其材料发生物理和化学变化，导致电参数变劣而最后失效，可分为电应力（电流、电压）和环境应力（湿度、温度、气压、振动和冲击等）两种，下面就电容的失效和可靠性作一简单分析。

一、电容的主要参数

电容的主要参数有：标称电容量与允许偏差、额定工作电压、介电强度、损耗、绝缘电阻、电容温度系数等。 

 1、标称电容量与允许偏差 电容标明的电容量称为标称电容量，电容允许偏差的定义是允许容量偏差与标称容量的比值，一般用百分数表示。

 2、额定工作电压 在允许的环境条件下，在规定的工作寿命期间，可以连续加在电容上的最大直流电压或交流电压的有效值称为电容的额定工作电压。额定工作电压是电容在规定期限内，规定条件下能够可靠工作的电压。工作条件或工作期限超过规定范围时，电容的工作电压必须随之而产生相应的变化，否则将会影响电容的工作可靠性。 

 3、介电强度 电容承受一定大小的电场强度（或电压）而不致被击穿的能力称为介电强度，一般通过耐压试验加以考核。通过耐压试验，可以快速剔除存在隐患的电容，保证成品电容在使用寿命期间工作的可靠性。 

 4、损耗 电场作用下单位时间内电容因发热而消耗的能量称为电容的损耗。直流电场作用下主要表现为介质的漏导损耗，交流电场作用下除漏导损耗外，还有介质的极化损耗。此外，还必须计入电容金属部分（包括接触电阻）引起的损耗。通常用损耗角正切表示电容的损耗特性。 

 5、绝缘性能 表征电容绝缘性能的参数有：绝缘电阻、时间常数和漏电流。电容上所加的直流电压与所产生的漏电流的比值称为绝缘电阻。绝缘电阻这种绝缘性指标一般适用于电容量不大于0.1uF的有机电容以及所有有机电容。时间常数是绝缘电阻与电容量的乘积，它仅取决于介质本身性质，而与电容的几何尺寸无关。时间常数一般适用于电容量大于 0.1uF的有机介质电容的绝缘性能指标。对于电解电容，由于其金属化膜介质存在很多缺陷，无法采用材料特性表征电容绝缘特性，故直接应用漏电流评价电解电容的绝缘性。 

6、温度系数 电容温度变化一度时的电容量变化百分率称为温度系数。电容的温度系数大小跟介质材料的温度特性与电容的结构工艺有关。电容温度系数应尽可能接近零值。

二、陶瓷电容的失效模式及失效机理

 1、电容常见的失效模式有：短路、开路、参数（包括电容量、损耗、漏电流等）飘移等。

 2、电容常见的失效机理包括：来料本身的缺陷、外加电压过高、电压瞬态变化、浪涌电流、功率耗散过大、热应力、机械应力、污染等。

三、陶瓷电容的失效机理 

多层陶瓷电容本身的可靠性较高，可以长时间稳定使用。但如果器件本身存在缺陷或在组装过程引入缺陷，则会对其可靠性产生严重的影响。陶瓷电容常见的失效机理主要有以下几种： 

1、来料本身的缺陷

a）陶瓷介质内空洞 

介质内的空洞容易导致漏电，介电强度降低。漏电容易导致电容内局部过热， 由于热电的正反馈，进一步降低陶瓷介质的绝缘性能，导致电容该位置的漏电增加。该过程循环发生，不断恶化，轻则导致电容的参数飘移（绝缘电阻减小、损耗增大等），重则导致电容介质击穿，从而使电容两端电流过大，可能产生爆炸甚至燃烧等过热烧毁的严重后果。陶瓷介质内空洞的案例请参见图1、图2的典型形貌：

分析结论：陶瓷贴片电容失效原因是由于电容本身存在缺陷，在极板间存在许多空洞，从而引起漏电流增大，耐电压降低，进而导致电容两端电压大幅度下降。

b）分层 

多层陶瓷电容的烧结为多层材料堆叠共烧，烧结温度可高达 1000℃以上， 烧结工艺的不良容易导致分层的发生，分层和空洞、裂纹的危害相似，都是多层陶瓷电容重要的内在缺陷。分层案例请参见图3、图4的典型形貌：

 分析结论：内电极之间有分层，可能与陶瓷烧结工艺不良有关。

2、温度冲击及机械应力产生的裂纹

 温度冲击主要是发生在电容焊接过程中，不当的返修也是导致温度冲击裂纹的重要产生原因。多层陶瓷电容的特点是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力较差。电容在组装过程中任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致电容开裂。常见的应力源有：陶瓷电容与印刷电路板材料之间的膨胀系数不同，印刷电路板的机械弯曲， 装配产生的应力和机械冲击或振动。 陶瓷电容中机械断裂的影响要经一段时间才会显示出来。例如，如果由于电路板的弯曲导致陶瓷电容的断裂，那么，当弯曲力取消时，陶瓷电容就会回到正常位置，这时可能不会引起显著的电性能变坏。但是，陶瓷电容的两极极板是平行交错插入的，只要稍微有错位，就会引起漏电增大或短路。机械应力产生的裂纹案例请参见图5、图6的典型形貌： 

 分析结论：陶瓷与电极的交界处有裂纹，这种形貌的裂纹一般与使用不当有关，电容受机械损伤后，造成电容器击穿电压大大降低，上电后甚至电极短路、熔融。

3、浪涌电流

过强的电流超过了介质局部区域的瞬时功率耗散能力，就会引起热失控状态，导致电容烧毁。浪涌电流案例请参见图7、图8的典型形貌：

 分析结论：浪涌电流使电容绝缘性下降，造成击穿短路，在热应力下炸裂。

4、介质击穿

介质击穿可能是由于过压状态或者电容本身来料缺陷引起的。介质击穿案例请参见图10、图11的典型形貌：

 分析结论：在研磨过程中发现失效样品内部陶瓷介质有裂纹，并且击穿烧毁区域发生在其中一条裂纹上面。这说明电容的破裂在先，因而造成内电极层间错位引起两内电极短路。由于在裂纹中发现有Sn和Cl－ ，即焊料和助焊剂已延伸到裂纹中去。这也说明在焊接的时候裂纹应该就已经存在，并不是因为样品的击穿而导致裂纹的产生。因此电容失效的原因是，机械应力（包括高温应力和机械应力） 造成电容开裂，内部电极短路，从而样品短路烧毁失效。

四、参考文献

GJB 4027A-2006 军用电子元器件破坏性物理分析方法