电容器失效模式和失效机理

电容器失效模式和失效机理 电容器的常见失效模式有:击穿、开路、电参数变化包括电容量超差、损耗角正切值增大、绝缘性能下降或漏电流上下班升等、漏液、引线腐蚀或断裂、绝缘子破裂或表面飞弧等.引起电容器失效的原因是多种多样的.各类电容器的材料、结构、制造工艺、性能和使用环境各不相同失效机理也各不一样. 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 电介质材料有疵点或缺陷或含有导电杂质或导电粒子 电介质的电老化与热老化 电介质内部的电化学反应 银离子迁移 电介质在电容器制造过程中受到机械损伤 电介质分子结构改变 在高湿度或低气压环境中极间飞弧 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 引线部位发生“自愈“使电极与引出线绝缘 引出线与电极接触表面氧化造成低电平开路 引出线与电极接触不良 电解电容器阳极引出箔腐蚀断裂 液体工作台电解质干涸或冻结 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 受潮或表面污染 银离子迁移 自愈效应 电介质电老化与热老化 工作电解液挥发和变稠 电极腐蚀 湿式电解电容器中电介质腐蚀 杂质与有害离子的作用 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 电场作用下浸渍料分解放气使壳内气压一升 电容器金属外壳与密封盖焊接不佳 绝缘了与外壳或引线焊接不佳 半密封电容器机械密封不良 半密封电容器引线表面不够光洁 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 高温度环境中电场作用下产生电化学腐蚀 电解液沿引线渗漏使引线遭受化学腐蚀 引线在电容器制造过程中受到机械损伤 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 机械损伤 玻璃粉绝缘子烧结过程中残留热力过大 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 绝缘了表面受潮使表面绝缘电阻下降 绝缘了设计不合理 绝缘了选用不当 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: 引线表面氧化或沾层太薄以致焊接不牢 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 单引线结构的焊点数过少使出现低电平失效的概率增大 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 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: 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 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1/51/10.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8540.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-5585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20m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20m厚薄膜改进为双层10m薄膜这样电介质的厚度仍为20m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12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.