崔德勝，陳朝杰，彭 磊，熊盛陽，高憬楠

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院元器件可靠性中心，北京 100076）

研究與試制

電容器常見漏電失效模式分析及應(yīng)用建議

崔德勝，陳朝杰，彭 磊，熊盛陽，高憬楠

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院元器件可靠性中心，北京 100076）

分析了近年來發(fā)生的電容器漏電失效典型案例，研究了瓷介電容器和鉭電解電容器的漏電失效機(jī)理，分析表明金屬遷移和介質(zhì)層缺陷是導(dǎo)致電容器產(chǎn)生漏電流的主要原因。以電容器漏電流產(chǎn)生的理論機(jī)理為基礎(chǔ)，從選擇、檢驗和使用可靠性角度，提出了一系列電容器選型建議、檢驗準(zhǔn)則和使用要求，以確保電容器在航天等高可靠領(lǐng)域的應(yīng)用。

瓷介電容器；鉭電解電容器；漏電；可靠性；選用；航天

電容器是組成電子電路的主要元件之一，起耦合、濾波、儲能等作用。電容器按電解質(zhì)主要可分為：無機(jī)介質(zhì)電容器、有機(jī)介質(zhì)電容器和電解電容器等。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，集成度逐漸提高，但電容器的用量仍然在增加，鑒于容量、體積及可靠性的要求，瓷介電容器和鉭電解電容器已成為電容器領(lǐng)域的主力軍，同時，貼片式電容器正逐漸取代傳統(tǒng)軸向和徑向封裝電容器，是航天型號用量最大的元件。通常，電容器失效模式主要有：開路、短路、結(jié)構(gòu)破壞、功能喪失、參數(shù)變化、接觸不良等，其中，短路模式所占比例最大。因此，短路是瓷介電容器和鉭電容器不容忽視的失效模式，短路主要表現(xiàn)為漏電流超標(biāo)。所有失效中，有電容器固有缺陷，也有使用不當(dāng)所致，所以解決瓷介電容器和鉭電容器漏電問題是提高電容器固有可靠性和使用可靠性的關(guān)鍵。本文主要針對瓷介電容器和鉭電解電容器漏電問題，分析了典型失效案例和失效機(jī)理，并從理論和實踐角度提出相應(yīng)解決措施。

1 典型案例及失效機(jī)理分析

1.1 金屬遷移導(dǎo)致漏電

1.1.1 瓷介電容器金屬遷移

圖1是某片式瓷介電容器因短路而失效后的表面和剖面照片。對電容器的剖面進(jìn)行觀察時，發(fā)現(xiàn)電介質(zhì)層中存在貫穿性裂紋，在裂紋中可見內(nèi)電極材料，內(nèi)電極材料在電場作用下已沿裂紋通道產(chǎn)生遷移，將相鄰內(nèi)電極搭接。

電容器瓷體開裂主要是電容器韌性低，耐彎曲能力不足，當(dāng)印制板彎曲時，會對電容器產(chǎn)生拉或壓的應(yīng)力，導(dǎo)致電容器端頭形成45度的微裂紋，經(jīng)溫度循環(huán)和振動后，微裂紋可能繼續(xù)擴(kuò)大[1]。另外，若焊接時沒有對電容器進(jìn)行預(yù)熱處理，會導(dǎo)致安裝不匹配，存在應(yīng)力，溫度變化劇烈時，熱沖擊會在表面產(chǎn)生裂紋并向內(nèi)部傳播。如果在使用時對產(chǎn)生裂紋的電容器兩端施加電壓，電場會使相鄰內(nèi)電極材料沿裂紋處遷移[2]，主要表現(xiàn)為電容器絕緣電阻下降，漏電流增大，嚴(yán)重時會發(fā)生短路。

圖1 瓷介電容器瓷體開裂Fig.1 Cracking of the ceramic capacitor

1.1.2 銀外殼液體鉭電容器金屬遷移

圖2為一只銀外殼液體鉭電容器因漏電流超標(biāo)而失效照片。經(jīng)分析，鉭體的底部和側(cè)面存在“樹枝”狀的附著物，具有銀白色金屬光澤，附著物是銀離子遷移的產(chǎn)物。

圖2 鉭電容器內(nèi)部形貌Fig.2 Internal morphology of the tantalums capacitor

分析表明，該電容器漏電超標(biāo)與在使用中受到了反向電壓有關(guān)，銀外殼液體鉭電容器獨(dú)特的銀外殼是產(chǎn)生漏電流的主要原因。當(dāng)前大量應(yīng)用的銀外殼液體鉭電容器采用高純度銀外殼作為陰極。但是當(dāng)這種電容器加上反向電壓或不對稱紋波電流時，銀質(zhì)外殼的鉭電解電容器會由于鉭-銀之間的電位差，使銀在酸性溶液作用下溶解出的銀離子逐步遷移，即“銀離子遷移”，并沉淀在陽極介質(zhì)表面，在介質(zhì)膜層缺陷處形成導(dǎo)電通道，引起漏電流劇增以致產(chǎn)品失效。

另外，應(yīng)用中的浪涌電流也會造成鉭電解電容器的失效率偏高，尤其是接在電源濾波電路的鉭電解電容器。由于電源開與關(guān)時有瞬時大電流，電容器在瞬變的大電流沖擊之下，使電容器氧化膜上有雜質(zhì)缺陷處產(chǎn)生介質(zhì)擊穿，主要分為以下兩種情況：

（1）擊穿部位漏電流會迅速增大，發(fā)熱也就越大，兩者形成正反饋，最終出現(xiàn)電容器短路燒毀，并在外觀上造成模壓塑封料變色、發(fā)黑。

（2）電容器擊穿部位在持續(xù)通電和發(fā)熱狀態(tài)下，其內(nèi)部會引起與之接觸的固體電解質(zhì)二氧化錳發(fā)生如下化學(xué)變化[3]：

浪涌電流或高溫工作時，導(dǎo)電性能良好的二氧化錳經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電性能差的三氧化錳，缺陷位置的二氧化錳轉(zhuǎn)化為不導(dǎo)電的三氧化二錳后，使它與其區(qū)域產(chǎn)生電隔離，流過這個位置的電流將減小，造成氧化膜發(fā)生“自愈”現(xiàn)象，鉭電容又可以正常地工作。但電容器承受功率的能力降低，電容量會變小，當(dāng)受到浪涌電流或高溫時，失效的概率會增大[4]。

1.2 介質(zhì)層缺陷導(dǎo)致短路

固體鉭電解電容最常見的失效模式是短路。圖3是固體鉭電解電容器燒毀后的鉭芯照片，表面有明顯的燒毀痕跡。圖4顯示一只固體鉭電解電容器爆裂并整體燒黑，此失效現(xiàn)象較為嚴(yán)重，電容器燒毀后產(chǎn)生了金屬多余物，多余物極有可能導(dǎo)致其他關(guān)鍵設(shè)備或元器件的短路，造成整機(jī)失敗的嚴(yán)重后果。

圖3 固體鉭電容表面擊穿燒毀Fig.3 Breakdown of the solid tantalums capacitor

圖4 固體鉭電容器燒毀后的外貌和鉭芯Fig.4 The appearance and tantalum core after breakdown of the solid tantalums capacitor

分析認(rèn)為，以上固體鉭電解電容器的所有失效均是介質(zhì)層中存在缺陷引起的，缺陷產(chǎn)生于生產(chǎn)過程中。鉭電容器正常情況下都會存在微量缺陷，在加電時會有很小的漏電流（通常在納安量級），漏電流導(dǎo)致的溫升和鉭電容器散熱能力可達(dá)到熱平衡，鉭電容器可長期正常工作。

在賦能工藝中，若由于工藝控制或材料原因，在形成的無定形Ta2O5膜上會出現(xiàn)局部晶化點(diǎn)，在施加電場時，由于局部晶化點(diǎn)的Ta2O5介電性能差、電導(dǎo)率高，致使局部晶化點(diǎn)的漏電流增加而產(chǎn)生局部發(fā)熱，逐漸發(fā)展成餅狀的腫塊，直至發(fā)生雪崩式熱擊穿。

若鉭粉純度不高，存在鐵、氧、氫等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在陽極賦能過程中將生成氧化物存留于介質(zhì)氧化膜中，由于雜質(zhì)氧化物多為半導(dǎo)體，會形成導(dǎo)電通道，使介質(zhì)層的介電常數(shù)下降，抗浪涌電壓能力差，在加電工作時，缺陷處漏電流會偏大，導(dǎo)致局部溫升高，而隨著溫度升高，該處漏電流繼續(xù)增大，形成一個正反饋，當(dāng)漏電流達(dá)到一定程度后，會造成擊穿短路現(xiàn)象。

2 應(yīng)用建議

在電容器漏電引發(fā)的失效屢屢發(fā)生的情況下，為提高航天等高可靠領(lǐng)域用電容器的可靠性，分析了歷史問題并歸納總結(jié)經(jīng)驗，從固有可靠性和使用可靠性角度出發(fā)，在電容器選用、檢驗方面采取了相應(yīng)的措施，并形成技術(shù)準(zhǔn)則及標(biāo)準(zhǔn)，以減少質(zhì)量問題的發(fā)生。

2.1 電容器選型控制

2.1.1 不宜選用長寬比大于2:1和1206尺寸片式瓷介電容器

片式瓷介電容器瓷體開裂導(dǎo)致漏電超標(biāo)主要由兩個因素造成，一是瓷體的材料、內(nèi)部缺陷和產(chǎn)品尺寸，一是焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及安裝后產(chǎn)生的力學(xué)應(yīng)力。瓷介電容器韌性低，若焊接或安裝時存在應(yīng)力，片式電容器的應(yīng)力只能釋放到電容器本體上，而有引線電容器可通過引線釋放應(yīng)力，若使用中對電容器產(chǎn)生拉或壓的應(yīng)力，電容器瓷體會開裂。瓷體斷裂強(qiáng)度可表示為：

式中：W為電容器寬度(mm)；T為電容器厚度(mm)；L為端電極焊點(diǎn)間距離(mm)；γ為彎曲應(yīng)力；ε為修正因子，其與瓷體的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子、熱傳導(dǎo)系數(shù)和楊氏模量有關(guān)[5]。一般情況下，瓷體的韌性為：NP0＞X7R＞Z5U[5]。因此，由式（1）可知，在同一種材料情況下，電容器寬度和厚度越大，長度越小，瓷體的斷裂強(qiáng)度越大。

在進(jìn)行大量驗證試驗后，發(fā)現(xiàn)航天等軍工領(lǐng)域中，所有因瓷體開裂而失效的電容器多數(shù)是1206尺寸，此尺寸電容器長度為3.2 mm，部分容量的產(chǎn)品厚度為1.5 mm，僅與0805尺寸的厚度相同，因此安裝后斷裂強(qiáng)度比其他尺寸低，即“細(xì)長”的瓷體容易開裂。因此，不宜選用長寬比大于 2:1和尺寸為1206的瓷介電容器。

2.1.2 不宜選用進(jìn)口工業(yè)級固體鉭電解電容器

當(dāng)前選用的進(jìn)口產(chǎn)品大多為工業(yè)級產(chǎn)品，進(jìn)口工業(yè)級產(chǎn)品允許存在一定失效率，產(chǎn)品的最終狀態(tài)是靠生產(chǎn)線的工藝控制來保證，無相關(guān)的篩選，而且進(jìn)口工業(yè)級產(chǎn)品的工藝過程不受控，選用此類元器件存在極大的風(fēng)險。如進(jìn)口199D固體鉭電解電容器發(fā)生的所有失效，均是介質(zhì)層缺陷導(dǎo)致，此缺陷可通過工藝過程嚴(yán)格控制，或通過篩選剔除。因此，對進(jìn)口工業(yè)級產(chǎn)品的選用應(yīng)嚴(yán)格控制。

2.1.3 慎選國產(chǎn)未篩選電容器

國內(nèi)各生產(chǎn)廠的電容器，有時標(biāo)稱質(zhì)量等級相同，但各廠對相同質(zhì)量等級的定義卻不同，篩選和考核試驗不同，甚至某些產(chǎn)品無篩選，這對設(shè)計師的選用造成一定困難。如J等級（也稱“普軍”等級）電容器，有些生產(chǎn)廠按國軍標(biāo)要求執(zhí)行，有些甚至無篩選。

2.1.4 高可靠環(huán)境下優(yōu)先選擇全鉭電容器和高分子固體鉭電容器

全鉭全密封鉭電解電容器與普通銀外殼液體鉭電容器結(jié)構(gòu)基本相同，最大區(qū)別是全鉭液體鉭電解電容器是用鉭外殼作為電容器的引出陰極，避免了由反向電壓或不對稱紋波電流引起的鉭-銀電位差問題，可承受小于3V的反向電壓。同時，其具有性能穩(wěn)定、承受紋波電流和振動沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被業(yè)界稱為“永不失效”的電容器。

高分子鉭電解電容器的結(jié)構(gòu)和普通二氧化錳鉭電解電容器基本相同，根本差別在于用導(dǎo)電高分子取代二氧化錳作陰極材料。導(dǎo)電高分子的電導(dǎo)率（1～100 S/cm）遠(yuǎn)高于二氧化錳電導(dǎo)率（0.1 S/cm），因此高分子鉭電解電容器具有極低的等效串聯(lián)電阻（ESR），高頻特性好，允許更大的紋波電流，不易引起漏電問題，且失效模式是開路，對整機(jī)性能的影響小。

2.1.5 大容量瓷介電容器采用金屬支架連接方式

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，單個瓷介電容的容量可達(dá)100 μF甚至更高，將逐漸替代電解電容器。然而電容器安裝尺寸不變，厚度和重量卻成倍增加，安裝到PCB板后，產(chǎn)生的應(yīng)力僅通過焊接點(diǎn)釋放，在焊接處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，易造成電容器端頭和瓷體表面開裂。通常，使用金屬支架瓷介電容器來解決此問題，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。瓷介電容器通過高溫焊料與金屬支架連接，金屬支架再與PCB板焊接，因此應(yīng)用過程中產(chǎn)生的應(yīng)力可通過支架釋放，此結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的抗熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力特性。

圖5 金屬支架瓷介電容器Fig.5 Metal cap type ceramic capacitors

2.2 電容器檢驗控制

2.2.1 增加片式瓷介電容器機(jī)械強(qiáng)度考核

為解決片式瓷介電容器開裂問題，保證電容器機(jī)械強(qiáng)度和各批次電容器的一致性，可在周期檢驗中增加端面鍍層結(jié)合強(qiáng)度考核。端面鍍層結(jié)合強(qiáng)度考核中，將電容器安裝于圖6所示的裝置上，在一定的彎曲狀態(tài)下測試電容量，彎曲結(jié)束后檢查瓷體有無裂紋，保證電容器的機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到要求。

圖6 端面鍍層結(jié)合強(qiáng)度試驗示意圖（mm）Fig.6 The diagram of bending test（mm）

2.2.2 增加瓷介電容器超聲掃描

在無限均勻的彈性介質(zhì)中，超聲波以一定的速度沿著固定的方向傳播。當(dāng)其遇到障礙物（如缺陷）之后，超聲波會與障礙物發(fā)生作用使傳播路線發(fā)生改變。這種相互作用的結(jié)果使得缺陷處成為一個新的波源，可把這新的波源當(dāng)成二次波源，它將向各個方向發(fā)出散射波[6]，檢測散射波即可檢驗出缺陷。

2.2.3 加嚴(yán)鉭電解電容器漏電流考核

鉭電解電容器介質(zhì)層中的缺陷數(shù)量，宏觀上可由電容器漏電流的大小來表示，因此，在某種程度上可以由漏電流大小來反映有缺陷的產(chǎn)品。鉭電解電容器漏電流為：

式中：K是漏電流系數(shù)；U是電壓；C是電容量。

在實際測試中，大部分電容器的漏電流小于0.3 I，只有極少數(shù)電容器的漏電流大于0.5 I，雖然漏電流大于0.5 I符合篩選要求，但在實際應(yīng)用中，正是這極少數(shù)漏電流大于0.5 I的電容器發(fā)生失效。因此，將鉭電解電容器在常溫和高溫篩選時的漏電流控制在0.5 I和5 I，即可有效剔除極少數(shù)存在安全隱患的電容器。

2.3 電容器應(yīng)用可靠性控制

2.3.1 電容器應(yīng)進(jìn)行電壓降額設(shè)計

電容器使用電壓超過額定電壓時，容易破壞介質(zhì)層，將導(dǎo)致電容器性能劣化，嚴(yán)重時甚至產(chǎn)生介質(zhì)擊穿，特別是鉭電解電容器，電壓過高會使電容器漏電流超標(biāo)，因此，在航天應(yīng)用中，電容器必須按GJB/Z 35《元器件降額準(zhǔn)則》或產(chǎn)品手冊進(jìn)行降額設(shè)計。對于鉭電解電容器，如使用低阻抗電路和快速充放電電路中，建議使用電壓設(shè)定在額定電壓的1/3以下，防止電路中紋波對介質(zhì)層造成損傷。

2.3.2 高可靠線路中應(yīng)慎用鉭電解電容器

在設(shè)計高可靠線路時，應(yīng)慎用液體鉭電解電容器。因為液體鉭電容器中有導(dǎo)電酸性液體，若產(chǎn)生漏液，會使印制電路板上線條間產(chǎn)生短路，而且這種液體可分解為氣體，在真空環(huán)境下氣體膨脹易發(fā)生爆炸。

無論固鉭或液鉭，在高可靠環(huán)境中應(yīng)用時，可采用圖7所示的接法，使兩個電容器串聯(lián)，即使其中一個短路，另一個還可正常工作，以犧牲重量和空間來提高可靠性。

圖7 提高鉭電解電容器可靠性的接法Fig.7 The method for improving the reliability of tantalum electrolytic capacitor

2.3.3 禁止對鉭電解電容器施加反向電壓

鉭電解電容器氧化膜具有單向?qū)щ娦院驼魈匦?，?dāng)施加反向電壓時，會破壞氧化膜的晶向，改變其電導(dǎo)率，結(jié)果產(chǎn)生較大的漏電流。若施加的反向電壓過大，甚至?xí)斐呻娙萜鲹舸┦?。因此，使用中?yīng)嚴(yán)格控制反向電壓，除全鉭電容器外，不允許施加任何反向電壓，且禁止使用萬用表電阻檔對有鉭電容器的電路或電容器本身進(jìn)行不分極性的測試（容易施加反向電壓）。

有極性鉭電解電容器必須隔離包裝，因電容器在測試過程中會進(jìn)行充放電，若測試后放電不充分，在運(yùn)輸或存儲中接觸其他電容器的負(fù)極會進(jìn)行放電，造成介質(zhì)膜損傷，所以不允許電容器引線或引出端相互接觸。

在測量、使用過程中，如不慎對非固體鉭電容器施加了反向電壓或?qū)腆w鉭電容器、全鉭電容器施加了超過規(guī)定的反向電壓，則該電容器應(yīng)作報廢處理，因為即使其各項參數(shù)仍然合格，而電容器由反向電壓造成的軟損傷有一定潛伏期，在后期使用中會造成漏電流的增大。

2.3.4 選擇合理的電裝工藝

片式電容器的電裝工藝選擇不當(dāng)，會在端頭產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，容易使電容器開裂。片式電容器優(yōu)先推薦回流焊和波峰焊，不宜采用手工焊接，因為手工焊易出現(xiàn)焊錫連接點(diǎn)的焊接溫度、所受應(yīng)力和焊錫量不同，在電容器端頭易產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。若采用手工焊接，應(yīng)控制焊接溫度，PCB板和電容器應(yīng)采取預(yù)熱措施，防止兩者熱膨脹系數(shù)相差大導(dǎo)致焊接后存在機(jī)械應(yīng)力。

除焊接外，PCB板的選擇也至關(guān)重要，PCB板材料和結(jié)構(gòu)的不同，電容器的應(yīng)力也會不同，尤其是金屬印刷電路板（如 AI），因熱膨脹系數(shù)差異較大，貼片電容器開裂的風(fēng)險增大，選用時應(yīng)慎重。

3 結(jié)束語

隨著航天等高可靠領(lǐng)域中瓷介電容器和鉭電容器的用量逐漸增加，其漏電問題一直影響著工程應(yīng)用。文章分析了近年來發(fā)生的電容器漏電典型案例，研究了電容器漏電失效機(jī)理，從選擇、檢驗和使用角度，提出了一系列改進(jìn)措施和建議，提高電容器的使用可靠性。

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（編輯：曾革）

Research for common leakage failure modes of capacitors and suggestions for application

CUI Desheng, CHEN Zhaojie, PENG Lei, XIONG Shengyang, GAO Jingnan
(Electronic Components Technology Center, CALT, Beijing 100076, China)

A typical case of capacitor leakage fault in recent years was analyzed. The failure mechanism of ceramic capacitors and tantalum electrolytic capacitors were studied. The analysis show that the main causes of leakage current are metal migration and the defects in medium layer. Then a series of selection recommendations, inspection standards and application requirements are proposed from the view of selection, inspection and reliability, in order to improve the reliability of application for aerospace application and other high reliable fields.

ceramic capacitor; tantalum electrolytic capacitors; leakage; reliability; selection; aerospace

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.009

TM53

A

1001-2028（2017）09-0038-05

2017-06-19

崔德勝

崔德勝（1986－），男，遼寧大連人，工程師，主要從事元器件質(zhì)量保證和可靠性研究，E-mail: cds1210@163.com 。

時間：2017-08-28 11:09

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1109.009.html