陶瓷電容失效分析：

 

多層片狀陶介電容器由陶瓷介質(zhì)、端電極、金屬電極三種材料構(gòu)成，失效形式為金屬電極和陶介之間層錯(cuò)，電氣表現(xiàn)為受外力（如輕輕彎曲板子或用烙鐵頭碰一下）和溫度沖擊（如烙鐵焊接）時(shí)電容時(shí)好時(shí)壞。

 

多層片狀陶介電容器具體不良可分為:

 

1、熱擊失效

 

2、扭曲破裂失效

 

3、原材失效三個(gè)大類

 

（１）熱擊失效模式：

 

熱擊失效的原理是：在制造多層陶瓷電容時(shí)，使用各種兼容材料會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)張力的不同熱膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)變率過大時(shí)就容易出現(xiàn)因熱擊而破裂的現(xiàn)象，這種破裂往往從結(jié)構(gòu)最弱及機(jī)械結(jié)構(gòu)最集中時(shí)發(fā)生，一般是在接近外露端接和中央陶瓷端接的界面處、產(chǎn)生最大機(jī)械張力的地方（一般在晶體最堅(jiān)硬的四角），而熱擊則可能造成多種現(xiàn)象：

 

第一種是顯而易見的形如指甲狀或U-形的裂縫

 

 

第二種是隱藏在內(nèi)的微小裂縫

 

 

第二種裂縫也會(huì)由裸露在外的中央部份，或陶瓷/端接界面的下部開始，并隨溫度的轉(zhuǎn)變，或于組裝進(jìn)行時(shí)，順著扭曲而蔓延開來（見圖4）。

 

 

第一種形如指甲狀或U-形的裂縫和第二種隱藏在內(nèi)的微小裂縫，兩者的區(qū)別只是后者所受的張力較小，而引致的裂縫也較輕微。第一種引起的破裂明顯，一般可以在金相中測出，第二種只有在發(fā)展到一定程度后金相才可測。

 

（２）扭曲破裂失效

 

此種不良的可能性很多：按大類及表現(xiàn)可以分為兩種：

 

第一種情況、SMT階段導(dǎo)致的破裂失效

 

當(dāng)進(jìn)行零件的取放尤其是SMT階段零件取放時(shí)，取放的定中爪因?yàn)槟p、對位不準(zhǔn)確，傾斜等造成的。由定中爪集中起來的壓力，會(huì)造成很大的壓力或切斷率，繼而形成破裂點(diǎn)。

 

這些破裂現(xiàn)象一般為可見的表面裂縫，或2至3個(gè)電極間的內(nèi)部破裂；表面破裂一般會(huì)沿著最強(qiáng)的壓力線及陶瓷位移的方向。

 

 

真空檢拾頭導(dǎo)致的損壞或破裂﹐一般會(huì)在芯片的表面形成一個(gè)圓形或半月形的壓痕面積﹐并帶有不圓滑的邊緣。此外﹐這個(gè)半月形或圓形的裂縫直經(jīng)也和吸頭相吻合。

 

另一個(gè)由吸頭所造成的損環(huán)﹐因拉力而造成的破裂﹐裂縫會(huì)由組件中央的一邊伸展到另一邊﹐這些裂縫可能會(huì)蔓延至組件的另一面﹐并且其粗糙的裂痕可能會(huì)令電容器的底部破損。

 

 

第二種、SMT之后生產(chǎn)階段導(dǎo)致的破裂失效

 

電路板切割﹑測試﹑背面組件和連接器安裝﹑及最后組裝時(shí)，若焊錫組件受到扭曲或在焊錫過程后把電路板拉直，都有可能造成‘扭曲破裂’這類的損壞。

 

在機(jī)械力作用下板材彎曲變形時(shí)，陶瓷的活動(dòng)范圍受端位及焊點(diǎn)限制，破裂就會(huì)在陶瓷的端接界面處形成，這種破裂會(huì)從形成的位置開始，從45°角向端接蔓延開來。

 

 

（３）原材失效

 

多層陶瓷電容器通常具有2大類類足以損害產(chǎn)品可靠性的基本可見內(nèi)部缺陷：

 

電極間失效及結(jié)合線破裂燃燒破裂。

 

這些缺陷都會(huì)造成電流過量，因而損害到組件的可靠性，詳細(xì)說明如下：

 

1、電極間失效及結(jié)合線破裂主要由陶瓷的高空隙，或電介質(zhì)層與相對電極間存在的空隙引起，使電極間是電介質(zhì)層裂開，成為潛伏性的漏電危機(jī)；

 

2、燃燒破裂的特性與電極垂直，且一般源自電極邊緣或終端。假如顯示出破裂是垂直的話，則它們應(yīng)是由燃燒所引起；

 

 

備注：原材失效類中第一種失效因平行電容內(nèi)部層結(jié)構(gòu)分離程度不易測出，第三種垂直結(jié)構(gòu)金相則能保證測出

 

結(jié)論：

 

由熱擊所造成的破裂會(huì)由表面蔓延至組件內(nèi)部，而過大的機(jī)械性張力所引起的損害，則可由組件表面或內(nèi)部形成，這些破損均會(huì)以近乎45°角的方向蔓延，至于原材失效，則會(huì)帶來與內(nèi)部電極垂直或平行的破裂。

 

另外：熱擊破裂一般由一個(gè)端接蔓延至另一個(gè)端接﹐由取放機(jī)造成的破裂﹐則在端接下面出現(xiàn)多個(gè)破裂點(diǎn)﹐而因電路板扭曲而造成的損壞﹐通常則只有一個(gè)破裂點(diǎn)。

 

一張圖教你分析電解電容失效分析

 

看不清圖片，可以點(diǎn)擊圖片之后，放大后查看：

 

 

 

鉭電容：

 

優(yōu)點(diǎn)：體積小、電容量較大、外形多樣、長壽命、高可靠性、工作溫度范圍寬

 

缺點(diǎn)：容量較小、價(jià)格貴、耐電壓及電流能力較弱

 

應(yīng)用：軍事通訊、航天、工業(yè)控制、影視設(shè)備、通訊儀表

 

1.也屬于電解電容的一種，使用金屬鉭做介質(zhì)，不像普通電解電容那樣使用電解液，鉭電容不需像普通電解電容那樣使用鍍了鋁膜的電容紙繞制，本身幾乎沒有電感，但這也限制了它的容量。——我們在大容量，但是需要低ESL的場景，我們就選用鉭電容。

 

2.由于鉭電容內(nèi)部沒有電解液，很適合在高溫下工作。——一些溫度范圍要求比較寬的場景。

 

3.鉭電容器的工作介質(zhì)是在鉭金屬表面生成的一層極薄的五氧化二鉭膜。此層氧化膜。介質(zhì)與組成電容器的一端極結(jié)合成一個(gè)整體，不能單獨(dú)存在。因此單位體積內(nèi)具有非常高的工作電場強(qiáng)度，所具有的電容量特別大，即比容量非常高，因此特別適宜于小型化。——集成度比較高的場景，用鋁電解電容占的面積比較大，陶瓷電容容量不夠的場景。

 

4.鉭電容的性能優(yōu)異，是電容器中體積小而又能達(dá)到較大電容量的產(chǎn)品，在電源濾波、交流旁路等用途上少有競爭對手。鉭電解電容器具有儲(chǔ)藏電量、進(jìn)行充放電等性能，主要應(yīng)用于濾波、能量貯存與轉(zhuǎn)換，記號旁路，耦合與退耦以及作時(shí)間常數(shù)元件等。在應(yīng)用中要注意其性能特點(diǎn)，正確使用會(huì)有助于充分發(fā)揮其功能，其中諸如考慮產(chǎn)品工作環(huán)境及其發(fā)熱溫度，以及采取降額使用等措施，如果使用不當(dāng)會(huì)影響產(chǎn)品的工作壽命。——例如USB接口輸出，需要降額后，耐壓滿足5V，集成度比較高的場景，陶瓷電容不滿足高耐壓與大容量的情況下，我們不得不選擇鉭電容。陶瓷電容的儲(chǔ)能效果，不能按照并聯(lián)的容值去等效，達(dá)到相同的效果需要的代價(jià)也非常大。

 

5.鉭電容的容值的溫度穩(wěn)定性比較好。在一些耦合、濾波的場景，如果對相位，和濾波的頻率特性要求比較高的場景，同時(shí)容量精度要求比較高的場景，會(huì)選用無極性的鉭電容。如高音質(zhì)要求的音頻電路設(shè)計(jì)。

 

我們需要考慮不同溫度情況下的電容的準(zhǔn)確性和一致性。

 

陶瓷電容的溫度特性顯然不夠穩(wěn)定。

 

 

6.在鉭電容器工作過程中，具有自動(dòng)修補(bǔ)或隔絕氧化膜中的疵點(diǎn)所在的性能，使氧化膜介質(zhì)隨時(shí)得到加固和恢復(fù)其應(yīng)有的絕緣能力，而不致遭到連續(xù)的累積性破壞。這種獨(dú)特自愈性能，保證了其長壽命和可靠性的優(yōu)勢。——鋁電解電容由于干涸不能滿足壽命的場景。

 

第一、鉭電容失效的模式很恐怖，輕則燒毀冒煙，重則火光四濺。

 

 

這里不去贅述“鉭電容”的失效模式的原理。

 

通過這個(gè)失效的現(xiàn)象，就知道：如果電容失效，只是短路造成電路無法工作，或者工作不穩(wěn)定，都是小問題，大不了退貨。但是如果造成了客戶場地失火，則是需要賠償對方的人員及財(cái)產(chǎn)損失的。那就麻煩大了。

 

這是我們不要去選用鉭電容的重要原因。

 

第二、鉭電容的成本高

 

看看我們的淘寶就可以知道100uF的鉭電容與100uF的陶瓷電容的價(jià)格差別，大概鉭電容的價(jià)格是陶瓷電容的10倍。

 

如果電容容量需求在100uF以下的情況下，我們現(xiàn)在絕大多數(shù)下，耐壓如果滿足的情況下，我們一般需用陶瓷電容。

 

再大容量，或者再高耐壓，陶瓷電容的封裝大于1206的時(shí)候，盡量謹(jǐn)慎選擇。

 

貼片陶瓷電容最主要的失效模式斷裂（封裝越大越容易失效）：貼片陶瓷電容器作常見的失效是斷裂,這是貼片陶瓷電容器自身介質(zhì)的脆性決定的.由于貼片陶瓷電容器直接焊接在電路板上,直接承受來自于電路板的各種機(jī)械應(yīng)力,而引線式陶瓷電容器則可以通過引腳吸收來自電路板的機(jī)械應(yīng)力.因此,對于貼片陶瓷電容器來說,由于熱膨脹系數(shù)不同或電路板彎曲所造成的機(jī)械應(yīng)力將是貼片陶瓷電容器斷裂的最主要因素。

 

第三、鉭電容未來將耗盡，有錢你都買不到。

 

早在2007 年，美國國防后勤署(DLA)十多年來已貯存大量鉭礦物，為履行美國國會(huì)的會(huì)議決定，該組織將耗盡其擁有的最后140，000磅鉭材料。 從美國國防后勤署購買鉭礦石的買主已包括HC Starck、DM Chemi-Met、ABS合金公司、Umicore、Ulba冶金公司和Mitsui采礦公司，這些代表了將這些鉭礦石加工制成電容器級粉末、鉭制品磨損件或切削工具的眾多公司。從美國國防后勤署購買這些鉭礦石的投標(biāo)人年復(fù)一年傳統(tǒng)上是一貫的，這樣當(dāng)鉭礦石供應(yīng)變的吃緊時(shí)，因美國國防后勤署供應(yīng)耗盡，一些公司只得搶奪新的礦石供應(yīng)源。

 

為什么這是一個(gè)很重要的發(fā)展方向？

 

如果失去美國國防后勤署的鉭礦石供應(yīng)，估計(jì)2007年鉭礦石供應(yīng)市場留下150，000磅的缺口，2008年缺口為350，000磅。這個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間不合時(shí)宜，因?yàn)楝F(xiàn)在的供應(yīng)能力窘迫。比如第二大硬研礦石賣主澳大利亞的瓜利亞子公司在第四季度已總體削減礦石產(chǎn)量25%（即格林布什礦產(chǎn)量的一半），以便該公司能完成在澳大利亞的管理事宜。同樣情形，在巴西冶金/CIF和巴拉那巴拿馬（Paranapanema）兩公司2006年的鉭礦石產(chǎn)量已下降，原因是他們將興趣轉(zhuǎn)向開采更盈利的金屬上。在非洲，主要供應(yīng)源是剛果民主共和國（DRC）由于聯(lián)合國的壓力仍然沒能達(dá)到產(chǎn)能極限，不過我們已經(jīng)聽到2006年許多投資者試圖獲取剛果庫存鉭礦石的報(bào)道，感覺這是鉭礦石缺貨的跡象。

 

鉭電容器給設(shè)計(jì)工程師提供了在最小的物理尺寸內(nèi)盡可能最高的容量，容量范圍從47μF~1000μF特別有體積的優(yōu)勢，所以在集成度高又需要使用大容量，低ESR的場景下，鉭電解電容有其獨(dú)有優(yōu)勢。

 

大容量低耐壓鉭電容的替代產(chǎn)品：高分子聚合物固體鋁電解電容器

 

高分子聚合物固體鋁電解電容器與傳統(tǒng)的電解電容相比，它采用具有高導(dǎo)電度、高穩(wěn)定性的導(dǎo)電高分子材料作為固態(tài)電解質(zhì)，代替了傳統(tǒng)鋁電解電容器內(nèi)的電解液，它所采用的電解質(zhì)電導(dǎo)率很高，再加上其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅改善傳統(tǒng)液態(tài)鋁電解電容器的缺點(diǎn)，展現(xiàn)出極為優(yōu)異的特性。

 

理想的高頻低阻抗特性。高分子聚合物固體電解電容器的損耗極低，具有理想的高頻低阻抗特性，所以被廣泛應(yīng)用于退耦、濾波等電路中，效果埋想，特別是高頻濾波效果優(yōu)秀。

 

通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以更加直觀和清楚地看出高分子聚合物固體鋁電解電容器與普通電解電容之間的高頻特性明顯差異。在平滑電路輸入疊加1MHz（峰一峰值電壓8V）高頻干擾信號，用1只47uF的高分子聚合物固體電解電容器濾波，可使噪聲降到僅有峰一峰值電壓30mV輸出。要達(dá)到同樣的濾波效果，需要并聯(lián)4只1000uF的普通型液態(tài)鋁電解電容器，或者并聯(lián)接入3只100UF的鉭電解電容器。

 

此外，在高頻濾波效果更好的情況下，高分子聚合物固體鋁電解電容器的體積明顯小于普通型鋁電解電容器。

 

隨著工藝不斷提升，高分子聚合物固體鋁電解電容器優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)。同時(shí)，價(jià)格也需要進(jìn)一步優(yōu)化。

 

鋁電解電容的失效分析

 

鋁電解電容是電容中非常常見的一種。鋁電解電容用途廣泛：濾波作用；旁路作用；耦合作用；沖擊波吸收；雜音消除；移相；降壓等等。對于鋁電解電容，常見的電性能測試包括：電容量，損耗角正切，漏電流，額定工作電壓，阻抗等等。在失效分析案件中，關(guān)于鋁電解電容的失效案件不少，那么常見的鋁電解電容的失效機(jī)理有哪些呢？

 

1.漏液

 

在正常的使用環(huán)境當(dāng)中，經(jīng)過一段時(shí)間密封便可能出現(xiàn)泄漏。通常，溫度升高、振動(dòng)或密封的缺陷等都有可能加速密封性能變壞。漏液的結(jié)果是電容值下降、等效串聯(lián)電阻增大以及功率耗散相應(yīng)增大等。漏液使工作電解液減少，喪失了修補(bǔ)陽極氧化膜介質(zhì)的能力，從而喪失了自愈作用。此外，由于電解液呈酸性，漏出的電解液還會(huì)污染和腐蝕電容器周圍其他的元器件及印刷電路板。

 

2.介質(zhì)擊穿

 

鋁電解電容器擊穿是由于陽極氧化鋁介質(zhì)膜破裂，導(dǎo)致電解液直接與陽極接觸而造成的。氧化鋁膜可能因各種材料、工藝或環(huán)境條件方面的原因而受到局部損傷，在外電場的作用下工作電解液提供的氧離子可在損傷部位重新形成氧化膜，使陽極氧化膜得以填平修復(fù)。但是如果在損傷部位存在雜質(zhì)離子或其他缺陷，使填平修復(fù)工作無法完善，則在陽極氧化膜上會(huì)留下微孔，甚至可能成為穿透孔，使鋁電解電容擊穿。工藝缺陷如陽極氧化膜不夠致密與牢固，在后續(xù)的鉚接工藝不佳時(shí)，引出箔條上的毛刺刺傷氧化膜，這些刺傷部位漏電流很大，局部過熱使電容器產(chǎn)生熱擊穿。

 

3.開路

 

當(dāng)電容器內(nèi)部的連接性能變差或失效時(shí)，通常就會(huì)發(fā)生開路。電性能連接變差的產(chǎn)生可能是腐蝕、振動(dòng)或機(jī)械應(yīng)力作用的結(jié)果。當(dāng)鋁電解電容在高溫或潮熱的環(huán)境中工作時(shí)，陽極引出箔片可能會(huì)由于遭受電化學(xué)腐蝕而斷裂。陽極引出箔片和陽極箔的接觸不良也會(huì)使電容器出現(xiàn)間歇開路。

 

4.其他

 

1）在工作早期，鋁電解電容器由于在負(fù)荷工作過程中電解液不斷修補(bǔ)并增厚陽極氧化膜（稱為補(bǔ)形效應(yīng)），會(huì)導(dǎo)致電容量的下降。

 

2）在使用后期，由于電解液的損耗較多，溶液變稠，電阻率增大，使電解質(zhì)的等效串聯(lián)電阻增大，損耗增大。同時(shí)溶液黏度增大，難以充分接觸鋁箔表面凹凸不平的氧化膜層，這就使電解電容的有效極板面積減小，導(dǎo)致電容量下降。此外，在低溫下工作，電解液的黏度也會(huì)增大，從而導(dǎo)致電解電容損耗增大與電容量下降等后果。

 

 

 

 

 

 

推薦閱讀：