怎样分析陶瓷电容失效

物理是我们上学必须要学习的一门科学，在物理的世界里，我们能学到很多平时见到却不知道的材料，比如说电容，电容器就是我们生活中常用到的一种物质，但是许多人对他都不太理解。陶瓷电容使用的最为广泛，可它有时候会因为一些因素的影响而导致失效。我们想要正常的使用陶瓷电容，就只能先了解导致它失效的因素以及它的特点，下面小编就为大家具体的介绍一下。

　　陶瓷电容简介：

它的外形以片式居多，也有管形、圆形等形状。陶瓷电容器是以陶瓷材料为介质的电容器的总称。其品种繁多，外形尺寸相差甚大。按使用电压可分为高压，中压和低压陶瓷电容器。按温度系数，介电常数不同可分为负温度系数、正温度系数、零温度系数、高介电常数、低介电常数等。此外，还有I型、II型、III型的分类方法。一般陶瓷电容器和其他电容器相比，具有使用温度较高，比容量大，耐潮湿性好，介质损耗较小，电容温度系数可在大范围内选择等优点。广泛用于电子电路中，用量十分可观。

　　陶瓷电容失效的内在因素主要有以下几种：

1.陶瓷介质内空洞

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部局部发热，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，严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸，甚至燃烧等严重后果。

2.烧结裂纹

烧结裂纹常起源于一端电极，沿垂直方向扩展。主要原因与烧结过程中的冷却速度有关，裂纹和危害与空洞相仿。

3.分层

多层陶瓷电容器的烧结为多层材料堆叠共烧。烧结温度可以高达1000℃以上。层间结合力不强，烧结过程中内部污染物挥发，烧结工艺控制不当都可能导致分层的发生。分层和空洞、裂纹的危害相仿，为重要的多层陶瓷电容器内在缺陷。

陶瓷电容失效的外部因素主要为：

1.温度冲击裂纹

主要由于器件在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致，不当返修也是导致温度冲击裂纹的重要原因。

2.机械应力裂纹

多层陶瓷电容器的特点：

是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力比较差。器件组装过程中任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。常见应力源有：贴片对中，工艺过程中电路板操作流转过程中的人、设备、重力等因素通孔元器件插入电路测试、单板分割电路板安装电路板定位铆接螺丝安装等。该类裂纹一般起源于器件上下金属化端，沿45℃角向器件内部扩展。该类缺陷也是实际发生最多的一种类型缺陷。

了解完陶瓷电容的特点，才能更好的使用，陶瓷电容的体积通常都很小，成本也比较低，所以人们生活中使用它的地方有很多。另外大家要多多注意令陶瓷电容失效的几个方面，假如不注意的话，就有可能导致我们家族那么将电器不能使用，最直接的就是陶瓷电容失效。在我们学习物理的时候，就会学到影响电容变化的因素，我们应该学以致用，把学习到的运用到生活当中去。

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

短路的失效模式较为常见，通常表现为两个端电极间的电阻值明显下降至欧姆或者毫欧姆的数量级，这种失效模式大多与过电有关系。开路的失效模式比较少见，主要有两种情况，一种情况是经历了严重的过电后，致使内部电极间或者端电极与内电极间烧毁形成开路；另外一种情况是某种应力致使端电极与内电极间因为过应力出现裂纹、开裂，导致电极间电连接不好形成开路，此种失效多数和电容本身的质量有关。智旭JEC专业制造安规电容，压敏电阻，独石电容，薄膜电容，涤纶电容，高压电容，更多品质电容尽在JEC。

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。

它的外形以片式居多，也有管形、圆形等形状

陶瓷电容一般都是圆形的蓝色本体

随着科技发展需求，陶瓷电容在电子市场的需求与日俱增

那陶瓷电容损坏原因有哪些呢？潮湿对电参数恶化的影响

空气中温度过高，会使陶瓷电容器的表面绝缘电阻下降，对于半密封结构电容器来说，水分会渗透到电容器的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，高湿环境对陶瓷电容的损坏影响较大

二：银离子的迁移

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，渗入电容器内部的水分子产生电解

产生氧化反应，银离子与氢氧根离子结合产生氢氧化银

由于电极反应，银离子迁移不仅发生在无机介质表面，还扩散到无机介质内部，引起漏电流增大，严重时会使两个银电极之间完全短路，导致陶瓷电容损坏或击穿

有的陶瓷电容器，在运用测试操作时，电容器投入时的电流过大，无任何无电压保护措施，也无串联电抗器，使电容器过热，绝缘降低或损坏，如果操作频繁，也会影响陶瓷电容损坏，甚至爆炸

如果选购到质量不好的陶瓷电容，在长期工作电压下，内部残存的气泡产生局部放电现象

局部放电进一步导致绝缘损伤和老化

温度也会上长，会导致陶瓷电容损坏，击穿

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。瓷片电容厂家比较全的有智旭电子，专业让人省心，提供优质的瓷片电容解决方案服务。

截断电源把电容进行放电，事先要进行表面检测，要是套管的表面有无放电现象现象，外层有无改变，漏油及接地装置有无短路现象等，并摇测极间及极对地的绝缘电阻值，检查电容器组接线是否完整、牢固，是否有缺相现象，如未发现故障现象，可换好保险后投入

要是送电完保险还是停断，那应脱离失效陶瓷电容，把恢复对剩下部分输送电

要是保险在停断的同是，断路器都故障，这时就不应强行操作，必须等以上都检测完之后换好保险后再投入

2、陶瓷电容器的电压串联跳闸，有些分路保险没断，要先把陶瓷电容器放电几分钟之后，再检测断路装置的电流变压器电力电缆和陶瓷电容表面等

如果没发现异样，那可能是由于外部故障母线电压波动所致

经检查后，可以试投；否则，应进一步对保护全面的通电试验

经过上述的反复检测，如果还没找出缘由，那只能按规定处理，对陶瓷电容逐个进行测试，没有查出缘由以前，未查明原因之前，不能“试投”

3、如果陶瓷电容器燃烧失火了，就应马上断开装置，之后在用干粉或干粉灭火器灭火

常见的七种失效模式

引起电容器击穿的主要失效机理

① 电介质材料有疵点或缺陷,或含有导电杂质或导电粒子

② 电介质的电老化与热老化

③ 电介质内部的电化学反应

④ 银离子迁移

⑤ 电介质在电容器制造过程中受到机械损伤

⑥ 电介质分子结构改变

⑦ 在高湿度或低气压环境中极间飞弧

各种常见失效模式的主要产生机理归纳如下.

1、常见的七种失效模式

(1) 引起电容器击穿的主要失效机理

① 电介质材料有疵点或缺陷,或含有导电杂质或导电粒子

② 电介质的电老化与热老化

③ 电介质内部的电化学反应

④ 银离子迁移

⑤ 电介质在电容器制造过程中受到机械损伤

⑥ 电介质分子结构改变

⑦ 在高湿度或低气压环境中极间飞弧

⑧ 在机械应力作用下电介质瞬时短路.

(2) 引起电容器开路的主要失效机理

① 引线部位发生“自愈“,使电极与引出线绝缘

② 引出线与电极接触表面氧化,造成低电平开路

③ 引出线与电极接触不良

④ 电解电容器阳极引出箔腐蚀断裂

⑤ 液体工作台电解质干涸或冻结

⑥ 机械应力作用下电介质瞬时开路.

(3) 引起电容器电参数恶化的主要失效机理

① 受潮或表面污染

② 银离子迁移

③ 自愈效应

④ 电介质电老化与热老化

⑤ 工作电解液挥发和变稠

⑥ 电极腐蚀

⑦ 湿式电解电容器中电介质腐蚀

⑧ 杂质与有害离子的作用

⑨ 引出线和电极的接触电阻增大.

(4) 引起电容器漏液的主要原因

① 电场作用下浸渍料分解放气使壳内气压一升

② 电容器金属外壳与密封盖焊接不佳

③ 绝缘了与外壳或引线焊接不佳

④ 半密封电容器机械密封不良

⑤ 半密封电容器引线表面不够光洁

⑥ 工作电解液腐蚀焊点.

(5) 引起电容器引线腐蚀或断裂的主要原因

① 高温度环境中电场作用下产生电化学腐蚀

② 电解液沿引线渗漏,使引线遭受化学腐蚀

③ 引线在电容器制造过程中受到机械损伤

④ 引线的机械强度不够.

(6) 引起电容器绝缘子破裂的主要原因

① 机械损伤

② 玻璃粉绝缘子烧结过程中残留热力过大

③ 焊接温度过高或受热不均匀.

(7) 引起绝缘子表面飞弧的主要原因

① 绝缘了表面受潮,使表面绝缘电阻下降

② 绝缘了设计不合理

③ 绝缘了选用不当

④ 环境气压过低.

电容器击穿、开路、引线断裂、绝缘了破裂等使电容器完全失去工作能力的失效属致命性失效,其余一些失效会使电容不能满足使用要求,并逐渐向致命失效过渡

电容器在工作应力与环境应力综合作用下,工作一段时间后,会分别或同时产生某些失效模式.同一失效模式有多种失效机理,同一失效机理又可产生多种失效模式.失效模式与失效机理之间的关系不是一一对应的.

2、电容器失效机理分析

(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.此处,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成氢氧化银.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,银离子还能扩散到无机介质内部,引起漏电流增大,严重时可使两个银电极之间完全短路,导致电容器击穿.

银离子迁移可严重破坏正电极表面银层,引线焊点与电极表面银层之间,间隔着具有半导体性质的氧化银,使无机介质电容器的等效串联电阻增大,金属部分损耗增加,电容器的损耗角正切值显著上升.

由于正电极有效面积减小,电容器的电容量会因此而下降.表面绝缘电阻则因无机介质电容器两电极间介质表面上存在氧化银半导体而降低.银离子迁移严重时,两电极间搭起树枝状的银桥,使电容器的绝缘电阻大幅度下降.

综上所述,银离子迁移不仅会使非密封无机介质电容器电性能恶化,而且可能引起介质击穿场强下降,最后导致电容器击穿.

值得一提的是:银电极低频陶瓷独石电容器由于银离子迁移而引起失效的现象比其他类型的陶瓷介质电容器严重得多,原因在于这种电容器的一次烧成工艺与多层叠片结构.银电极与陶瓷介质一次烧也过程中,银参与了陶瓷介质表面的固相反应,渗入了瓷-银接触处形成界面层.如果陶瓷介质不够致密,则水分渗入后,银离子迁移不仅可以在陶瓷介质表面发生,还可能穿透陶瓷介质层.多层叠片结构的缝隙较多,电极位置不易精确,介质表面的留边量小,叠片层两端涂覆外电极时银浆渗入缝隙,降低了介质表面的绝缘电阻,并使电极之间的路径缩短,银离子迁移时容易产生短路现象.

(3)、高湿度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电强度显著降低,以致于在高湿度环境中电场作用下,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电容器中,因为击穿时局部发热厉害,较薄的管壁或较小的瓷体容易烧毁或断裂.

此外,以二氧化钛为主的陶瓷介质中,负荷条件下还可能产生二氧化钛的还原反应,使钛离子由四价变为三价.陶瓷介质的老化显著降低了电容器的介电强度,可能引起电容器击穿.因此,这种陶瓷电容器的电解击穿现象比不含二氧化钛的陶瓷介质电容器更加严重.

银离子迁移使电容器极间边缘电场发生严重畸变,又因高湿度环境中陶瓷介质表面凝有水膜,使电容边缘表面电晕放电电压显著下降,工作条件下产生表面极间飞弧现象.严重时导致电容器表面极间飞弧击穿.表面击穿与电容结构、极间距离、负荷电压、保护层的疏水性与透湿性等因素有关.主要就是边缘表面极间飞弧击穿,原因是介质留边量较小,在潮湿环境中工作时银离子迁移和表面水膜形成使电容器边缘表面绝缘电阻显著下降,引起电晕放电,最终导致击穿.高湿度环境中尤其严重.由于银离子迁移的产生与发展需要一段时间,所以在耐压试验初期,失效模式以介质击穿为主,直到试验500h以后,主要失效模式才过渡为边缘表面极间飞弧击穿.

(4)、高频精密电容器的低电平失效机理

云母是一种较理想的电容器介质材料,具有很高的绝缘性能,耐高温,介质损耗小,厚度可薄达25微米.云母电容器的主要优点是损耗小,频率稳定性好、分布电感小、绝缘电阻大,特别适合在高频通信电路中用做精密电容器.但是,云母资源有限,难于推广使用.近数十年内,有机薄膜电容器获得迅速发展,其中聚苯乙烯薄膜电容器具有损耗小、绝缘电阻大、稳定性好、介质强度高等优点.精密聚苯乙烯电容器可代替云母电容器用于高频电路.需要说明的是:应用于高频电路中的精密聚苯乙烯电容器,一般采用金属箔极板,以提高绝缘电阻与降低损耗.

电容器的低电平失效是20世纪60年代以来出现的新问题.低电平失效是指电容器在低电压工作条件下出现的电容器开路或容量下降超差等失效现象.60年代以来半导体器件广泛应用,半导体电路电压比电子管电路低得多,使电容器的实际工作电压在某些电路中仅为几毫伏,引起电容器低电平失效,具体表现是电容器完全丧失电容量或部分丧失电容量.对于低电平冲击,使电容器的电容量恢复正常.

产生低电平失效的原因主要在于电容器引出线与电容器极板接触不良,接触电阻增大,造成电容器完全开路或电容量幅度下降.

精密聚苯乙烯薄膜电容器一般采用铝箔作为极板,铜引出线与铝箔极板点焊在一起.铝箔在空气中极易氧化极板表面生成一层氧化铝半导体薄膜,在低电平条件下氧化膜层上的电压不足以把它击穿,因而铝箔间形成的间隙电容量的串联等效容量,间隙电容量愈小,串联等效容量也愈小.因此,低电平容量取决于极板表面氧化铝层的厚薄,氧化铝层愈厚,低电平条件下电容器的电容量愈小.此外,电容器在交流电路中工作时,其有效电容量会因接触电阻过大而下降,接触电阻很大时有效电容量可减小到开路的程度.即使极板一引线间不存在导电不良的间隔层,也会产生这种后果.

引起精密聚苯乙烯电容器低电平失效的具体因素归纳如下:

① 引线表面氧化或沾层太薄,以致焊接不牢

② 引线与铝箔点焊接不良,没有消除铝箔表面点焊处的氧化铝膜层

③ 单引线结构的焊点数过少,使出现低电平失效的概率增大

④ 粗引线根部打扁部分接触面积虽然较大,但点焊后焊点处应力也较大,热处理或温循过程中,可能损伤接触部位,恶化接触情况

⑤ 潮气进入电容器芯子,氧化腐蚀焊点,使接触电阻增大.

引起云母电容器低电平失效的具体因素归纳如下:

① 银电极和引出铜箔之间以及铜箔和引线卡之间存在一层很薄的地腊薄膜.低电平条件下,外加电压不足以击穿这层绝缘膜,产生间隙电容,并使接触电阻增大

② 银电极和铜箔受到有害气体侵蚀,使接触电阻增大.在潮湿的硫气环境中银和铜容易硫化,使极板与引线间的接触电阻上升.

(5)、金属化纸介电容失效机理

金属化纸介电容器的极板是真空蒸发在电容器纸表面的金属膜

A、电参数恶化失效

“自愈”是金属化电容器的一个独特优点,但自愈过程颇为复杂,自愈虽能避免电容器立即因介质短路而击穿,但自愈部位肯定会出现金属微粒迁移与介质材料受热裂解的现象.电容器纸由纤维组成,纤维素是碳水化合物类的高分子物质.在高温下电容器纤维素解成游离状态的碳原子或碳离子,使自愈部位表面导电能力增加,导致电容器电阻下降、损耗增大与电容减小.严重时可使电容器因电参数恶化程度超过技术条件许可范围而失效.

金属化纸介电容器在低于额定工作电压的条件下工作时,自愈能量不足,电容器纸中存在的导电杂质在电场作用于下形成低阻通路,也可导致电容器绝缘电阻降低和损耗增大.

电容器纸是多孔性的极性有机介质材料,极易吸收潮气.电容器芯子虽浸渍处理,但如果工艺不当或浸渍不纯,或在电场作用下工作相当时间后产生浸渍老化现象,则电容器的绝缘电阻将因此降低,损耗也将因此增大.

电容量超差失效产金属化纸介电容器的一种失效形式.在高温条件下储存时金属化纸介电容器可能因电容量增加过多而失效,在高温条件下加电压工作时又可能因电容量减少过多而失效.高温储存时半密封型金属化纸介电容器免不了吸潮,水是强极性物质,其介电常数接近浸渍电容器介电常数的20倍.因此,少量潮气侵入电容器芯子,也会引起电容量显著增大.烘烤去湿后电容呈会有所下降.如果电容器在高温环境中工作,则水分和电场的共同作用会使金属膜电极产生电解性腐蚀,使极板有效面积减小与极板电阻增大,导致电容量大幅度下降.如果引线与金属膜层接触部位产生腐蚀,则接触电阻增大,电容器的有效电容量将更进一步减小.个别电容器的电容量可降到接近于开路的程度.

B、引线断裂失效

金属化纸介电容器在高湿环境中工作时,电容器正端引线根部会遭到严重腐蚀,这种电解性腐蚀导致引线机械强度降低,严重时可造成引线断裂失效.

(6)、铝电解电容器的失效机理

铝电解电容器正极是高纯铝,电介质是在金属表面形成的三氧化二铝膜,负极是黏稠状的电解液,工作时相当一个电解槽.铝电解电容器常见失效模式有:漏液、爆炸、开路、击穿、电参数恶化等,有关失效机理分析如下.

A、漏液

铝电解电容器的工作电解液泄漏是一个严重问题.工作电解液略呈现酸性,漏出的工作电解液严重污染和腐蚀电容器周围的其他元器件和印刷电路板.同时电解电容器内部,由于漏液而使工作电解液逐渐干涸,丧失修补阳极氧化膜介质的能力,导致电容器击穿或电参数恶化而失效.

产生漏液的原因很多,主要是铝电解电容器密封不佳.采用铝负极箔夹在外壳边与封口板之间的封口结构时很容易在壳边渗漏电解液.采用橡胶塞密封的电容器,也可能因橡胶老化、龟裂而引起漏液.此外,机械密封工艺有问题的产品也容易漏液.总之,漏液与密封结构、密封材料与密封工艺有密切的关系.

B、爆炸

铝电解电容器在工作电压中交流成分过大,或氧化膜介质有较多缺陷,或存在氯根、硫酸根之类有害的阴离子,以致漏电流较大时电解作用产生气体的速率较快,大部分气体用于修补阳极氧化膜,少部分氧气储存在电容器壳内.工作时间愈长,漏电流愈大,壳内气体愈多,温度愈高.电容器金属壳内外的气压差值将随工作电压和工作时间的增加而增大.如果产品密封不佳,则将造成漏液如果密封良好,又没有任何防爆措施,则气压增大到一定程度就会引起电容器爆炸.高压大容量电容器的漏电流较大,爆炸可能性更大.目前,已普遍采用防爆外壳结构,在金属外壳上部增加一道褶缝,气压高时将褶缝顶开,增大壳内容积,从而降低气压,减少爆炸危险.

C、开路

铝电解电容器在高温或潮热环境中长期工作时可能出现开路失效,其原因在于阳极引出箔片遭受电化学腐蚀而断裂.对于高压大容量电容器,这种失效模式较多.此外,阳极引出箔片和阳极箔铆接后,未经充分平,则接触不良会使电容器出现间歇开路.

铝电解电容器内采用以DMF(二甲基酰胺)为溶剂的工作电解液时,DMF溶液是氧化剂,在高温下氧化能力更强.工作一段时间后可能因阳极引出箔片与焊片的铆接部位生成氧化膜而引起电容器开路.如果采用超声波焊接机把引出箔片与焊点在一起,可则减少这类失效现象.

D、击穿

铝电解电容器击穿是由于阳极氧化铝介质膜破裂,导致电解液直接与阳极接触而造成的.氧化铝膜可能因各种材料,工艺或环境条件方面的原因而受到局部损伤.在外加电场的作用下工作电解液提供的氧离子可在损伤部位重新形成氧化膜,使阳极氧化膜得以填平修复.但是如果在损伤部位存在杂质离子或其他缺陷,使填平修复工作无法完善,则在阳极氧化膜上会留下微孔,甚至可能成为穿透孔,使铝电解电容器击穿.

此外,随着使用和储存时间的增长,电解液中溶剂逐渐消耗和挥发,使溶液酸值上升,在储存过程中对氧化膜层发生腐蚀作用.同时,由于电解液老化与干涸,在电场作用下已无法提供氧离子修补氧化膜,从而丧失了自愈作用,氧化膜一经损坏就会导致电容器击穿.工艺缺陷也是铝电解电容器击穿的一个主要原因.如果赋能过程中形成的阳极氧化膜不够致密与牢固,在后续的裁片、铆接工艺中又使氧化膜受到严重损伤.这种阳极氧化膜难以在最后的老炼工序中修补完善,以致电容器使用过程中,漏电流很大,局部自愈已挽救不了最终击穿的命运.又如铆接工艺不佳时,引出箔条上的毛剌严重剌伤氧化膜,刺伤部位漏电流很大,局部过热使电容器产生热击穿.

E、电参数恶化

A、电容量下降与损耗增大

铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降,这是由于负荷过程中工作电解液不断修补并增厚阳极氧化膜所致.铝电解电容器在使用后期,由于电解液耗损较多、溶液变稠,电阻率因黏度增大而上升,使工作电解质的等效串联电阻增大,导致电容器损耗明显增大.同时,黏度增大的电解液难于充分接触经腐蚀处理的凹凸不平铝箔表面上的氧化膜层,这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小,引起电容量急剧下降.这也是电容器使用寿命临近结束的表现.

此外,如果工作电解液在低温下黏度增大过多,也会造成损耗增大与电容量急剧下降的后果.硼酸一乙二醇系统工作电解液的低温性能不佳,黏度过大导致等效串联电阻激增,使损耗变大和有效电容量骤减,从而引起铝电解电容器在严寒环境中使用时失效.

B、漏电流增加

漏电流增加往往导致铝电解电容器失效.赋能工艺水平低,所形成的氧化膜不够致密与牢固,开片工艺落后,氧化膜损伤与沾污严重,工作电解液配方不佳,原材料纯度不高,电解液的化学性质与电化学性质难以长期稳定,铝箔纯度不高,杂质含量多……这些因素均可能造成漏电流超差失效.

铝电解电容器中氯离子沾污严重,漏电流导致沾污部位氧化膜分解,造成穿孔,促使电流进一步增大.此外,铝箔的杂质含量较高,一般铁杂质颗粒的尺寸大于阳极氧化膜的厚度,使电流易于传导.铜与硅杂质的存在影响铝氧化物向晶态结构转变.铜和铝还可在电解质内组成微电池,使铝箔遭到腐蚀破坏.总之,铝箔中金属杂质的存在,会使铝电解电容器漏电流增大,从而缩短电容器的寿命.

3、提高电容器可靠性的措施

对材料、结构和制造工艺进行改进说明.

1、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.

国产云母电容器的电极材料也是银,同样存在银离子迁移现象.日本海缆通信系统中用的云母器,它的电极材料及电极引线间的连接均采用金,这就保证了云母电容器优良的性能和高可靠性.

镀金云母电容器与镀银云母电容器相比较:电容温度系数,前者约为后者的1/2,且偏差也小湿度对容量的影响,前者比后者小一个数量级,且是可逆的损耗角正切值,前者比后者小个数量级在电压负荷下电容量相对变化率,前者约为后者的1/5~1/10.据推算,镀金云母电容器工作20年的电容量变化率≤±0.1%.

改进电极材料的另一个例子是金属化纸介电容器.金属化纸介电容器都采用锌蒸发在电容器纸上形成的金属层作为电极.锌膜在空气中易氧化,生成半导体性质的氧化锌,而且会继续向底层氧化,造成板极电阻的增加和电容器损耗的增大.此外,锌金属化膜在潮湿环境下易腐蚀.锌金属化膜的另一个缺点是自愈所需要的能量较大,而且电容器经击穿自愈后其绝缘电阻值较低.为了提高金属化纸介电容器的性能和可靠性,已用铝金属化层来代替锌金属化层.大气中在铝膜的表面会生成一层薄而坚固的氧化氯膜.使铝膜不再继续氧化.同时氧化氯膜对潮气抗腐蚀性能好.另外铝金属化层自愈性能好,铝电极可以在介质上残存的微量潮气和低电压作用下产生电化学反应,生成氧化铝介质膜,经过一段时间,电容器的绝缘电阻得到恢复.此外,铝的比电导较锌大,这就减小了板极电阻和电容器的损耗.因此,铝在金属化电容器的生产中取代锌做电极改善了电容器的性能,提高了电容器的可靠性.

2、工作电解质的改进

铝电解电容器工作电解质为硼酸一乙醇系统,其工作温度范围为+85~—40℃.在低温下,由于乙二醇中的羟基彼此以氢键联合,出现聚合物,以致工作电解液变稠冻结,电阻率急剧增大,电容量下降和损耗角正切值增大,使电容器的性能恶化.近来普遍采用的以DMF为溶剂的工作电解液,在较宽的温度范围内(-55~+85℃)电性能优良.

为了解决液体钽电解电容器漏液问题,除了在密封结构上采取措施外,采用凝胶状电解质,因为凝胶状电解质黏度大,不容易从微小的缝隙中漏出.

3、电介质材料的改进

电介质材料是决定电容器性能和可靠性的关键材料.以往生产的聚苯乙烯电容器,其电介质是采用厚度为20μm的聚苯乙烯单层薄膜,由于薄膜的厚度不均、有针孔、有导电杂质和微粒先进原因,制成的电容器就存在着某些陷患,在外部各种环境和电应力作用下,这些缺陷就会逐渐暴露出来,导致电容器的击穿、开路或电参数超差失效.为了提高和产品的性能和可靠性.电容器的电介质由原来单层20μm厚薄膜改进为双层10μm薄膜这样电介质的厚度仍为20μm,电容器的体积不变,但产品的质量却提高了.因为双层薄膜可以互相掩盖薄膜中的缺陷和疵点,这就使得电容器的耐压和可靠性得到了提高.

又如,以银做电极的独石低频瓷介电容器,由于银电极和瓷料在900℃下一次烧成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熔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去后,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,改用了银—钯电极代替通常含有的氧化钡电极,并且在资料配方中添加了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.

4、结构的改进

上面已论述了聚苯乙烯电容器的低电平失效.导致低电平不时通时不通的原因是其引线和板有焊接不好而引起的.原来的引线结构是用较粗的单引线,与铝箔厚度比较尺寸相差悬殊,因此点焊质量不高.后改用细引线,并将冲压加工改进为辗轧加工.这样即可减少加式过程中产生毛刺,点焊质量也高.此外,经过分析研究,从单引线结构较细的Φ0.2mm打扁引线,在卷芯的芯轴孔中间位置插入Φ0.8mm的绝缘线,两端插入预先打有凹槽的Φ0.8mm浸锡引线作为加固引线,经热处理聚合固定.用双引线结构后,聚苯乙烯电容器低电平失效的概率由万分之五减少到四百万分之一.

细双引线加固引线结构的电容器,由于附加了较粗的Φ0.8mm外部连接加固引线,并且在插入芯子内的一端上有一个凹槽,保证了引线的稳固性,所以提高了电容器外部连接的强度,能耐振,不易折断.同时,在两根加固引线间有一段相同直径的绝缘线,这不仅可以防止两极间可能发生的偶然击穿,而且还能使电容器聚合后变形小,使芯子内介质薄膜的应力均匀,这就改善了电容量的稳定性.

长期以来,铝电解电容器的爆炸是令人生畏的,CV乘积大的电容器爆炸的可能性更大,而且破坏性也大.为了提高铝电解电容器的可靠性,提高整机的可靠性和安全性,国内已经度制了有防爆结构的铝电解电容器.当电容器内部气压加到一定程度时,防爆阀释放气体而防止爆炸.

5、工艺方面的改进

为了提高铝电解电容器的性能和寿命,就必须获得性能优良、结构致密、缺陷少和耐酸碱腐蚀的电介质氧化氯薄膜.传统的铝电解电容器赋能工艺是采用硼酸一乙二醇系统赋能液,虽然赋能后获得的氧化膜介电性能良好,但其氧化膜抗水合能力和耐酸碱腐蚀性能较差,因而铝电解电容器的性能和可靠性都差.采用已二酸形成工艺,由于已二酸在电解液中是水的表面活性物质,其羰基具有较强的电负性,极易吸附到阳极箔上,阻止阳极氧化时的晶胞生长,迫使放电离子产生新的晶核,生成致密的氧化膜.氧化膜的疵点、空洞、裂纹和缝隙都较少,无论是在常温还是在高温条件下,产品的漏电流都比较小,延长了产品的平均寿命,提高了可靠性.

为了解决云母电容器低电平失效,即解决引出线和电极接触不良问题,将原来用铜箔接触的引出线改为焊接工艺引出,能基本消除低电平不通的失效模式.电极和引线之间的焊接方法有两种:全焊接法和点焊法.全焊接法是指云母片上银电极和引出线之间,引出线和引线卡子之间全部、焊接起来.方法是把引出线铜箔改为热浸铜箔,芯组装配方法和原来一样.芯组打好卡子之后,通过施加温度和压力,一道工序把电极银层和引出线之间、引出线和引出卡子之间,全部焊接起来.

美国生产高可靠云母电容器采用点焊法.即云母片上电极和引出线连接采用点焊,点焊后用10~20倍的放大镜一片一片地对焊接质量进行检查.

改进工艺提高产品可靠性的另一个例子是独石陶瓷电容器的包封工艺.以酒精为溶剂的环氧树脂浸渍包封产品来说,由于包装的多孔性,受潮聚积水分为银离子的迁移提供了条件,造成产品短时间内大量失效.为了提高独石陶瓷电容器的防潮性能,改用先涂覆GN521硅凝胶做底漆,再包封环氧树脂的工艺.长期潮热负荷试验结果表明,这种包装工艺有很好的防潮性能,产品的可靠性有明显的提高.