電容器的失效機理分析
電容器是電子設(shè)備中的重要元件。電容器種類較多，它們的主要失效模式和機理都不盡相同。常見的失效模式有擊穿短路、開路、電參數(shù)退化（容量變化、損耗角正切值增大、漏電流增大和絕緣電阻下降），電解液泄漏和引線腐蝕斷裂等。
開路和短路一類突然發(fā)生并完全失去功能的失效叫做致命失效（完全失效），因電參數(shù)超差而逐漸失去功能的失效叫做退化失效（部分失效）。其中致命失效危害極大，但退化失效往往是致命性失效的誘因和預兆。
電容器在工作應力（電壓、電流、脈沖電壓、高頻電流、脈動電壓）和環(huán)境應力（溫度、相對濕度、日照、時間、振動、沖擊、霉菌及有害氣體）的共同作用下會分別或同時發(fā)生某些失效模式和失效機理，隨著時間推移一種失效機理還會衍生出另一種失效機理。即使在一種應力作用下也能夠同時誘發(fā)兩種以上的失效機理。由于各種電容器的材料結(jié)構(gòu)、制造工藝、性能和使用環(huán)境及條件的不同，其失效模式和機理也不相同。結(jié)合電容器的特點，根據(jù)實踐經(jīng)驗，有幾種應力在激發(fā)電子元器件的內(nèi)部缺陷方面特別有效。因此通常僅用幾種典型應力進行篩選。
1.1 溫度沖擊
溫度沖擊的目的是測定元器件承受極高溫和極低溫的能力，以及極高、低溫交替變化對器件的影響。溫度沖擊期間產(chǎn)生的電性能和外形損壞的變化，主要是由尺寸和其他物理性能變化引起的。
1.2 高溫負荷
高溫老化是一種靜態(tài)工藝，這種方法是使元器件在規(guī)定高溫下連續(xù)不斷的工作，以迫使早期故障出現(xiàn)。其篩選機理是通過提供額外的熱作用，迫使缺陷發(fā)展。高溫老化篩選是析出電子元器件缺陷的有效方法，廣泛用于元器件的篩選
。
2 失效模式和機理分析
現(xiàn)在我就將各種電容器的主要失效模式和失效機理結(jié)合我所的實際**作進行一下簡單的分析。
2.1 固體鉭電解電容器的失效機理
固體鉭電解電容器的陽極是鉭粉經(jīng)壓鑄和高溫燒結(jié)后形成的鉭柱（或塊），電介質(zhì)是鉭柱表面的五氧化二鉭（Ta2O5）薄膜，電解質(zhì)為二氧化錳。固體鉭電容器的失效機理與結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝和使用條件有密切關(guān)系。在可靠性試驗和使用過程中的主要失效模式為瞬時短路、突然擊穿、漏電流增大和損耗角正切值增加等。
2.1.1 瞬時短路
瞬時短路是固體鉭電解電容器的常見失效模式，它對電子產(chǎn)品的危害極大，其短路時間在數(shù)毫秒至幾十微秒之間，漏電流從微安量級突然上升到毫安甚至安培量級。雖然這種瞬時短路不會引起電容器的致命失效。但對電子設(shè)備的工作卻造成了嚴重干擾，使電子設(shè)備出現(xiàn)故障。
瞬時短路的原因是鉭芯表面的Ta2O5 膜存在疵點或缺陷。疵點或缺陷的出現(xiàn)是由于鉭材料不純或工藝不當?shù)仍蛞肓穗s質(zhì)，或產(chǎn)生裂縫，孔洞等缺陷所造成。
針對瞬時短路，我們采用高溫負荷的手段，在應力條件下加高溫及多倍的電壓，剔除瞬時短路。在高溫下，留下的雜質(zhì)與鉭金屬形成溶體，或以晶界夾雜物形式存在，由于電流集中在雜質(zhì)存在的部位，產(chǎn)生局部發(fā)熱，引起氧化膜出現(xiàn)裂紋和裂縫，氧化錳顆粒就會乘機進入縫隙，致使漏電流增大。
2.1.2 突然擊穿
突然擊穿的原因是五氧化二鉭薄膜上的晶化點逐漸增大。當達到頂破無定性膜時就立即產(chǎn)生雪崩式熱擊穿，因短路面積較大，氧化錳的局部自愈作用無法修復，所以導致電容器發(fā)生致命性失效。通過高溫負荷手段，同樣可以剔除那些短路但無法自愈而導致突然擊穿所損壞的器件。
2.1.3 損耗角增大引起的失效
固體鉭電解電容器的劣化失效主要是由損耗角正切值增大引起。損耗增大對高頻特性危害極大，損耗包括五氧化二鉭膜的介質(zhì)損耗，金屬導線焊接部位和顆粒層之間的接觸電阻損耗。
當電容器內(nèi)部有接觸不良時，損耗角正切值將產(chǎn)生跳變或漂移。針對損耗角的問題，我們采用溫度沖擊的手段，通過加以相應的高溫及低溫的反復沖擊，剔除由于氧化錳層質(zhì)量較差，與五氧化二鉭膨脹系數(shù)相差較大，而造成的接觸不良和結(jié)合不牢。
2.2 鋁電解電容器的失效機理
鋁電解電容器的正極基體是高純鋁箔，電介質(zhì)是鋁箔表面形成的三氧化二鋁膜，陰極是具有一定粘度的溶體電解質(zhì)。鋁電解電容器在電子設(shè)備中應用十分廣泛。其失效模式和機理敘述如下。
2.2.1 擊穿
引起擊穿的原因有原材料有雜質(zhì)或制造缺陷等原因，因而產(chǎn)生一些極微小的孔洞甚至成為穿孔，結(jié)果導致電解液直接和陽極接觸而擊穿。同鉭電解電容手段一致，針對擊穿，我們采用高溫負荷的手段，在應力條件下加高溫及多倍的電壓，如果氧化膜表面存在雜質(zhì)離子或其它缺陷，將會產(chǎn)生一些極微小的孔洞甚至成為穿孔，結(jié)果導致?lián)舸?/p>
2.2.2 漏液
鋁電解電容器工作是類似于一個電解槽，工作電壓越高時間越長，在正、負極上產(chǎn)生的氣體就越多，其中多數(shù)氣體用來修補介質(zhì)氧化膜缺陷，少數(shù)氣體被釋放出來并儲存在電容器內(nèi)部的空腔內(nèi)。如果氧化膜有縫隙、孔洞和疵點之類缺陷，將導致電容器因漏電流增大而產(chǎn)生更多的氣體和熱量，因而在電容器內(nèi)部引起較高氣壓，當氣壓增加到一定程度時就會帶著電解質(zhì)一并擠出外殼出現(xiàn)漏液。
漏液不僅造成了電容器周圍的元器件和印制板的腐蝕，而且會使電容器的電解質(zhì)干涸，導致電容器喪失自愈能力，電容值下降，嚴重時甚至會造成開路失效。我們通常是通過溫度沖擊對鋁電解電容的外殼的密閉性進行考核, 而通過高溫負荷對漏液的問題進行解決。
編輯：admin 最后修改時間：2017-12-13
