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电容器的失效机理分析

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发表于 2010-3-18 13:39:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
关键词: 电容器 , 失效机理
摘要:通过对各种电容器的内在结构及其失效模式的分析,结合我所现有设备的使用,对我所现使用的所有电容器进行了失效机理分析。
  1 概述

   电容器是电子设备中的重要元件。电容器种类较多,它们的主要失效模式和机理都不尽相同。常见的失效模式有击穿短路、开路、电参数退化(容量变化、损耗角正切值增大、漏电流增大和绝缘电阻下降),电解液泄漏和引线腐蚀断裂等。

   开路和短路一类突然发生并完全失去功能的失效叫做致命失效(完全失效),因电参数超差而逐渐失去功能的失效叫做退化失效(部分失效)。其中致命失效危害极大,但退化失效往往是致命性失效的诱因和预兆。

   电容器在工作应力(电压、电流、脉冲电压、高频电流、脉动电压)和环境应力(温度、相对湿度、日照、时间、振动、冲击、霉菌及有害气体)的共同作用下会分别或同时发生某些失效模式和失效机理,随着时间推移一种失效机理还会衍生出另一种失效机理。即使在一种应力作用下也能够同时诱发两种以上的失效机理。由于各种电容器的材料结构、制造工艺、性能和使用环境及条件的不同,其失效模式和机理也不相同。结合电容器的特点,根据实践经验,有几种应力在激发电子元器件的内部缺陷方面特别有效。因此通常仅用几种典型应力进行筛选。

   1.1 温度冲击

   温度冲击的目的是测定元器件承受极高温和极低温的能力,以及极高、低温交替变化对器件的影响。温度冲击期间产生的电性能和外形损坏的变化,主要是由尺寸和其他物理性能变化引起的。

   1.2 高温负荷

   高温老化是一种静态工艺,这种方法是使元器件在规定高温下连续不断的工作,以迫使早期故障出现。其筛选机理是通过提供额外的热作用,迫使缺陷发展。高温老化筛选是析出电子元器件缺陷的有效方法,广泛用于元器件的筛选。

   2 失效模式和机理分析

   现在我就将各种电容器的主要失效模式和失效机理结合我所的实际**作进行一下简单的分析。

   2.1 固体钽电解电容器的失效机理

   固体钽电解电容器的阳极是钽粉经压铸和高温烧结后形成的钽柱(或块),电介质是钽柱表面的五氧化二钽(Ta2O5)薄膜,电解质为二氧化锰。固体钽电容器的失效机理与结构、材料、制造工艺和使用条件有密切关系。在可靠性试验和使用过程中的主要失效模式为瞬时短路、突然击穿、漏电流增大和损耗角正切值增加等。

   2.1.1 瞬时短路

   瞬时短路是固体钽电解电容器的常见失效模式,它对电子产品的危害极大,其短路时间在数毫秒至几十微秒之间,漏电流从微安量级突然上升到毫安甚至安培量级。虽然这种瞬时短路不会引起电容器的致命失效。但对电子设备的工作却造成了严重干扰,使电子设备出现故障。

   瞬时短路的原因是钽芯表面的Ta2O5 膜存在疵点或缺陷。疵点或缺陷的出现是由于钽材料不纯或工艺不当等原因引入了杂质,或产生裂缝,孔洞等缺陷所造成。

   针对瞬时短路,我们采用高温负荷的手段,在应力条件下加高温及多倍的电压,剔除瞬时短路。在高温下,留下的杂质与钽金属形成溶体,或以晶界夹杂物形式存在,由于电流集中在杂质存在的部位,产生局部发热,引起氧化膜出现裂纹和裂缝,氧化锰颗粒就会乘机进入缝隙,致使漏电流增大。

   2.1.2 突然击穿

   突然击穿的原因是五氧化二钽薄膜上的晶化点逐渐增大。当达到顶破无定性膜时就立即产生雪崩式热击穿,因短路面积较大,氧化锰的局部自愈作用无法修复,所以导致电容器发生致命性失效。通过高温负荷手段,同样可以剔除那些短路但无法自愈而导致突然击穿所损坏的器件。

   2.1.3 损耗角增大引起的失效

   固体钽电解电容器的劣化失效主要是由损耗角正切值增大引起。损耗增大对高频特性危害极大,损耗包括五氧化二钽膜的介质损耗,金属导线焊接部位和颗粒层之间的接触电阻损耗。

   当电容器内部有接触不良时,损耗角正切值将产生跳变或漂移。针对损耗角的问题,我们采用温度冲击的手段,通过加以相应的高温及低温的反复冲击,剔除由于氧化锰层质量较差,与五氧化二钽膨胀系数相差较大,而造成的接触不良和结合不牢。

   2.2 铝电解电容器的失效机理

   铝电解电容器的正极基体是高纯铝箔,电介质是铝箔表面形成的三氧化二铝膜,阴极是具有一定粘度的溶体电解质。铝电解电容器在电子设备中应用十分广泛。其失效模式和机理叙述如下。

   2.2.1 击穿

   引起击穿的原因有原材料有杂质或制造缺陷等原因,因而产生一些极微小的孔洞甚至成为穿孔,结果导致电解液直接和阳极接触而击穿。同钽电解电容手段一致,针对击穿,我们采用高温负荷的手段,在应力条件下加高温及多倍的电压,如果氧化膜表面存在杂质离子或其它缺陷,将会产生一些极微小的孔洞甚至成为穿孔,结果导致击穿。

   2.2.2 漏液

   铝电解电容器工作是类似于一个电解槽,工作电压越高时间越长,在正、负极上产生的气体就越多,其中多数气体用来修补介质氧化膜缺陷,少数气体被释放出来并储存在电容器内部的空腔内。如果氧化膜有缝隙、孔洞和疵点之类缺陷,将导致电容器因漏电流增大而产生更多的气体和热量,因而在电容器内部引起较高气压,当气压增加到一定程度时就会带着电解质一并挤出外壳出现漏液。

   漏液不仅造成了电容器周围的元器件和印制板的腐蚀,而且会使电容器的电解质干涸,导致电容器丧失自愈能力,电容值下降,严重时甚至会造成开路失效。我们通常是通过温度冲击对铝电解电容的外壳的密闭性进行考核, 而通过高温负荷对漏液的问题进行解决。
发表于 2010-6-1 08:24:50 | 显示全部楼层
发表于 2010-6-4 15:57:02 | 显示全部楼层
好东西
发表于 2010-6-7 10:46:40 | 显示全部楼层
學習了,不錯
发表于 2010-6-18 11:15:32 | 显示全部楼层
就这么点?有没有to be continued啊?
发表于 2010-8-11 20:26:03 | 显示全部楼层
谢谢,呵呵
发表于 2010-8-22 09:02:16 | 显示全部楼层
受教了!!!!!!!!!!!!!!!!
发表于 2010-8-23 18:37:43 | 显示全部楼层
xiexie
发表于 2010-8-31 08:05:58 | 显示全部楼层
可否讲解一下,电容的特性参数测量
发表于 2010-8-31 08:15:36 | 显示全部楼层
个人意见,如有错误,敬请指正,谢谢!
通常电容开路,可取万用表电阻R*1档测量,正常时数字会变化,电容充电,对换正负(红黑)表笔,电容放电,如呈现阻值呈现为无穷大,则电容已开路,如果出现阻值很小为1或用二极管档位测试,呈导通状态,则为短路。
请教大家一下如何测量电容的容量和是否漏电?
发表于 2010-9-10 22:25:29 | 显示全部楼层
好东西啊,赞
发表于 2010-10-5 07:23:28 | 显示全部楼层
发表于 2011-3-14 19:08:31 | 显示全部楼层
请教大家一下如何测量电容的容量和是否漏电?

--- 用万用表高阻值电阻档,稳定后,若电阻不是无穷大(“L"),即为漏电
--- 电容容量测量没有简便方法。
发表于 2013-12-1 08:45:30 | 显示全部楼层
复制下来!!!!!!!!!!!我自己好好学习!!!!!!!!!!
谢谢.jpg
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