贴片陶瓷电容击穿后起火

贴片陶瓷电容最主要的失效模式断裂。贴片陶瓷电容器作常见的失效是断裂,这是贴片陶瓷电容器自身介质的脆性决定的.由于贴片陶瓷电容器直接焊接在电路板上,直接承受来自于电路板的各种机械应力,而引线式陶瓷电容器则可以通过引脚吸收来自电路板的机械应力.因此,对于贴片陶瓷电容器来说,由于热膨胀系数不同或电路板弯曲所造成的机械应力将是贴片陶瓷电容器断裂的最主要因素。陶瓷贴片电容器机械断裂后,断裂处的电极绝缘间距将低于击穿电压,会导致两个或多个电极之间的电弧放电而彻底损坏陶瓷贴片电容器。尽可能的减少电路板的弯曲、减小陶瓷贴片电容器在电路板上的应力、减小陶瓷贴片电容器与电路板的热膨胀系数的差异而引起的机械应力。减小陶瓷贴片电容器与电路板的热膨胀系数的差异而引起的机械应力可以通过选择封装尺寸小的电容器来减缓,如铝基电路板应尽可能用1810以下的封装,如果电容量不够可以采用多只并联的方法或采用叠片的方法解决.也可以采用带有引脚的封装形式的陶瓷电容器解决。引起机械裂纹的主要原因有两种。第一种是挤压裂纹，它产生在元件拾放在PCB板上的操作过程。第二种是由于PCB板弯曲或扭曲引起的变形裂纹。挤压裂纹主要是由不正确的拾放机器参数设置引起的，而弯曲裂纹主要由元件焊接上PCB板后板的过度弯曲引起的。

分析陶瓷电容器，可能会出现以下的失效形式：

1.潮湿对电参数恶化的影响

空气中湿度过高时，水膜凝聚在电容器外壳表面，可使电容器的表面绝缘电阻下降。此外，对于半密封结构电容器来说，水分还可渗透到电容器介质内部，使电容器介质的绝缘电阻绝缘能力下降。因此，高温、高湿环境对电容器参数恶化的影响极为显著。经烘干去湿后电容器的电性能可获改善，但是水分子电解的后果是无法根除的。例如，电容器的工作于高温条件下，水分子在电场作用下电解为氢离子（H+）和氢氧根离子（OH-），引线根部产生电化学腐蚀。即使烘干去湿，也不可能使引线复原。

2.银离子迁移的后果

无机介质电容器多半采用银电极，半密封电容器在高温条件下工作时，渗入电容器内部的水分子产生电解。在阳极产生氧化反应，银离子与氢氧根离子结合生产氢氧化银；在阴极产生还原反应，氢氧化银与氢离子反应生成银和水。由于电极反应，阳极的银离子不断向阴极还原成不连续金属银粒，靠水膜连接成树状向阳极延伸。银离子迁移不仅发生在无机介质表面，还能扩散到无机介质内部，引起漏电流增大，严重时可使用两个银电极之间完全短路，导致电容器击穿。

3.高温条件下陶瓷电容器击穿机理

半密封陶瓷电容器在高湿度环境条件下工作时，发生击穿失效是比较普遍的严重问题。所发生的击穿现象大约可以分为介质击穿和表面极间飞弧击穿两类。介质击穿按发生时间的早晚又可分为早期击穿与老化击穿两种，早期击穿暴露了电容介质材料与生产工艺方面存在的缺陷，这些缺陷导致陶瓷介质介电强度显著降低，以至于在高湿度环境的电场作用下，电容器在耐压试验过程中或工作初期，就产生电击穿。老化击穿大多属于电化学击穿范畴。由于陶瓷电容器银的迁移，陶瓷电容器的电解老化击穿已成为相当普遍的问题。银迁移形成的导电树枝状物，使漏电流局部增大，可引起热击穿，使电容器断裂或烧毁。热击穿现象多发生在管形或圆片形的小型瓷介质电容器中，因为击穿时局部发热严重，较薄的管壁或较小的瓷体容易烧毁或断裂。

4.电极材料的改进

陶瓷电容器一直使用银电极。银离子迁移和由此而引起含钛陶瓷介质的加速老化是导致陶瓷电容器失效的主要原因。有的厂家生产陶瓷电容器已不用银电极，而改用镍电极，在陶瓷基片上采用化学镀镍工艺。由于镍的化学稳定性比银好，电迁移率低，提高了陶瓷电容器的性能和可靠性。

又如，以银做电极的独石低频瓷介质电容器，由于银电极和瓷料在900℃下一次烧结时瓷料欠烧不能获得致密的陶瓷介质，存在较大的气孔率；此外银电极常用的助溶剂氧化钡会渗透到瓷体内部，在高温下依靠氧化钡和银之间良好的浸润“互熔”能力，使电极及介质内部出现热扩散现象，即宏观上看到的“瓷吸银”现象。银伴随着氧化钡进入瓷体中后，大大减薄了介质的有效厚度，引起产品绝缘电阻的减少和可靠性的降低。为了提高独石电容器的可靠性，改用银-钯电极代替通常含有氧化钡的电极，并且在材料配方中添加了1%的5#玻璃粉。消除了在高温下一次烧结时金属电极向瓷介质层的热扩散现象，能促使瓷料烧结致密化，使得产品的性能和可靠性有较大提高，与原工艺和介质材料相比较，电容器的可靠性提高了1~2个数量级。

5.叠片陶瓷电容器的断裂

叠片陶瓷电容器最常见的失效是断裂，这是叠片陶瓷电容器自身介质的脆性决定的。由于叠片陶瓷电容器直接焊接在电路板上，直接承受来自电路板的各种机械应力，而引线式陶瓷电容器则可以通过引脚吸收来自电路板的机械应力。因此，对于叠片陶瓷电容器来说，由于热膨胀系数不同或电路板弯曲所造成的机械应力将是叠片陶瓷电容器断裂的最主要因素。

6.叠片陶瓷电容器的断裂分析

叠片陶瓷电容器机械断裂后，断裂处的电极绝缘间距将低于击穿电压，会导致两个或多个电极之间的电弧放电而彻底损坏叠片陶瓷电容器。

叠片陶瓷电容器机械断裂的防止方法主要有：尽可能地减少电路板的弯曲，减小陶瓷贴片电容在电路板上的应力，减小叠片陶瓷电容器与电路板的热膨胀系数的差异而引起的机械应力。

如何减小叠片陶瓷电容器在电路板上的应力将在下面另有叙述，这里不再赘述。减小叠片陶瓷电容器与电路板的热膨胀系数的差异而引起的机械应力，可以通过选择封装尺寸小的电容器来减缓，如铝基电路板应尽可能用1810以下的封装，如果电容量不够可以采用多只并联的方法或采用叠片的方法解决，也可以采用带有引脚的封装形式的陶瓷电容器解决。

7.叠片陶瓷电容器电极端头被熔淋

在波峰焊焊接叠片陶瓷电容器时可能会出现电极端头被焊锡熔掉了。其原因主要是波峰焊叠片陶瓷电容器接触高温焊锡的时间过长。现在在市场上的叠片陶瓷电容器分为适用于回流焊工艺的和适用于波峰焊工艺的，如果将适用于回流焊工艺的叠片陶瓷电容器用于波峰焊，很可能发生叠片陶瓷电容器电极端头的熔淋现象。关于不同焊接工艺下叠片陶瓷电容器电极端头可以承受的高温焊锡的时间特性，在后面的叠片陶瓷电容器的适用注意事项中有详尽叙述，这里不在赘述。

消除的办法很简单，就是在使用波峰焊工艺时，尽可能地使用符合波峰焊工艺的叠片陶瓷电容器；或者尽可能不采用波峰焊工艺。

本公司除了提供性能卓越的射频RF 元器件外，还致力於为客户提供精确和完整的性3 y) i" F! zB能资料。为了达到这个目标，这篇文章裏我们详细的讨论Q和ESR的测量方法和理解。2 _3 P9 K1 N+ P$ @$ M7 I理论上，一个“完美”的电容器应该表现为ESR为零欧姆、纯容抗性的无阻抗元件。不论$ H$ ~3 d6 d* l6 m/ B/ p何种频率，电流通过电容时都会比电压提前正好90度的相位。* d p&Z7 P, \" @) v8 m实际上，电容是不完美的，会或多或少存在一定值的ESR。一个特定电容的ESR随著频率# i% ]: R* z. w8 x的变化而变化，并且是有等式关系的。这是由於ESR的来源是导电电极结构的特性和绝缘介质1 F" E2 Y# y% }的结构特性。为了模型化分析，把ESR当成单个的串联寄生元。过去，所有的电容参数都是在2 @4 u5 G( b4 ^0 V% r- T1MHz的标准频率下测得，但当今是一个更高频的世界，1MHz的条件是远远不够的。一个性能/ yV9 \) bd" D/ u优秀的高频电容给出的典型参数值应该为：200MHz ，ESR＝0.04Ω；900MHz， ESR＝0.10Ω；! d" r- e" [3 e) p" J$ d2000MHz，ESR＝0.13Ω。&n, m" v) s, [, N$ Q- w8 w: |Q值是一个无量纲数，数值上等於电容的电抗除以寄生电阻（ESR）。Q 值随频率变化而有5 H3 p) T- ^" Q3 Wr很大的变化，这是由於电抗和电阻都随著频率而变。频率或者容量的改变会使电抗有著非常大&f" p$ `0 y# }2 H" B# I% E5 ^9 y的变化，因此Q值也会跟著发生很大的变化。从公式一和二上可以体现出来：3 e3 N/ @, q+ w6 R公式一：|Z| = 1 / ( 2πf C)/ S6 n. _1 p: ]# @2 W7 g5 W其中，|Z|为电抗的绝对值，单位Ω；f为频率，单位Hz；C为容量，单位元F。! A+ n8 {4 r$ m3 R公式二：Q = |Z| / ESR9 Y2 f2 E0 O" S% }2 k4 rT, D其中，Q代表“品质因素”，无量纲；|Z|为电抗的绝对值，单位Ω；ESR为等效串联电阻， L! _4 ~5 K7 R3 e% AR单位Ω。+ X( @4 X/ ]&G! o$ E% u3 q用从向量网路分析器收集而得的S参数去推导ESR是不可信的。主要原因是这个资料的精3 [. t6 z. {8 `# ]度受限於网路分析器在50Ω系统中的精度（典型的± 0.05 dB测量精度在电容低到±0.01 dB. {8 F# T3 l0 C低损耗区是精度不足的）。同样，用LCR仪表去测量高Q器件的Q和ESR也是不可信的。这是- R8 ]s. E. p# R8 p( C! I由於当元件的Q 值非常高时，LCR 仪表不能正确地分辨出非常小的电阻（R）和非常大的电抗L&a" s! @+ C（Z）。因此，高Q电容器的ESR和Q的测量方法，一般使用作为行业标准的谐振线路测试法。2 i0 l" v+ i9 ^U" @ J2 |这种测试方法作为在射频RF上测量Q和ESR 的行业标准而长期存在。因为该方法依赖於. N8 |/ Q" o* }, j% r信号发生器的频率精确度（该频率可以非常精确的测量），所以该资料的采样方式是十分精确&U% `, D0 L j1 ^的。现代的电容ESR非常之小，以至於这个测量方法的精度也只能达到接近±10%。但不管如% u+ k&S8 q4 t4 Z* E8 Xr9 O e何，这仍然是目前最精确的在射频RF方面有效测量Q和ESR的方法。0 v" Q0 Y6 \8 X7 j, J( S+ y" E测试方式：8 t- ?: o/ f$ w" [ 频率发生器 电脑 毫伏表" Y* W) E. j( [: m9 v2 j" Y 同轴谐振器2 T6 x2 z) T) L9 Y F$ t$ I5 W! L- w2 Q5 s4 K如何理解贴片陶瓷电容器的介质强度8 h. J/ v: V# ]$ \7 { 介质强度表徵的是介质材料承受高强度电场作用而不被电击穿的能力，通常用伏特/密尔( p1 Y* u Q" Z. T3 g/ F0 l. i# F（V/mil）或伏特/釐米（V/cm）表示。" M. O- ` x, w! ]5 r当外电场强度达到某一临界值时，材料晶体点阵中的电子克服电荷恢复力的束缚并出现场( S2 l! s G. J, P" H致电子发射，产生出足够多的自由电子相互碰撞导致雪崩效应，进而导致突发击穿电流击穿介6 A$ o. r" Z9 f! t6 S C7 y# m质，使其失效。除此之外，介质失效还有另一种模式，高压负荷下产生的热量会使介质材料的+ z7 J1 ~/ A&Y0 P0 O5 J8 Zo电阻率降低到某一程度，如果在这个程度上延续足够长的时间，将会在介质最薄弱的部位上产2 O: G* E4 c2 Z3 a. i1 C: B生漏电流。这种模式与温度密切相关，介质强度随温度提高而下降。

从以下几点进行分析一：瓷片电容在电场作用下的击穿破坏遵循弱点击穿理论，而局部放电是产生弱点破坏的根源

除因温度冷热变化产生热应力导致开裂外，对于环氧包封型高压陶瓷电容，无论是留边型还是满银型电容都存在着电极边缘电场集中和陶瓷-环氧的结合界面等比较薄弱的环节

环氧包封的瓷片电容由于环氧树脂固化冷却过程体积收缩，产生的内应力以残余应力的形式保留在包封层中，并作用于陶瓷-环氧界面，劣化界面的粘结

在电场作用下，组成高压瓷片电容瓷体的钙钛矿型钛酸锶铁类陶瓷（SPBT）会发生电机械应力，产生电致应变

当环氧包封层的残余应力较大时，二者联合作用极可能造成包封与陶瓷体之间脱壳，产生气隙，从而降低电压水平

二：介质内空洞：导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染、烧结过程控制不当等

空洞的产生极易导致漏电，而漏电又导致器件内局部发热，进一步降低陶瓷介质的绝缘性能从而导致漏电增加

该过程循环发生，不断恶化，导致其耐压水平降低

三：包封层环氧材料因素：一般包封层厚度越厚，包封层破坏所需的外力越高

在同样电场力和残余应力的作用下，陶瓷基体和环氧界面的脱粘产生气隙较为困难

另外固化温度的影响，随着固化温度的提高，高压瓷片电容的击穿电压会越高，因为高温固化时可以较快并有效地减少残余应力

随着整体模块灌胶后固化的高温持续，当达到或超过陶瓷电容器外包封层环氧树脂的玻璃转化温度，达到了粘流态，陶瓷基体和环氧界面的脱粘产生了气隙，此时的形变就很难恢复，这种气隙会降低陶瓷电容的耐压水平

四：机械应力裂纹：陶瓷体本身属于脆性较高的材料，在产生和流转过程中较大的应力可能造成应力裂纹，导致耐压降低

常见的应力源有：工艺过程电路板流转操作；流转过程中的人、设备、重力等因素；元件接插操作；电路测试；单板分割；电路板安装；电路板定位铆接；螺丝安装等

导致瓷片电容失效结论一：直接原因：陶瓷-环氧界面存在间隙，导致其耐压水平降低

二：间接原因：二次包封模块固化过程中产生了环氧材料应力收缩，致使陶瓷-环氧界面劣化，形成了弱点放电的路径

三：二次包封模块固化后，样品放置时间过短，其内部界面应力未完全释放出来，在陶瓷-环氧界面存在微裂纹，导致耐压水平降低