电容器的失效机理分析 - 电源技术 - 电子工程师俱乐部

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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。