西安機(jī)電信息技術(shù)研究所 鄭 松 展學(xué)磊

隨著高壓脈沖功率多層瓷介電容器廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域，產(chǎn)品失效問題也日益凸顯。本文主要針對(duì)外部應(yīng)力對(duì)脈沖功率多層瓷介電容器可靠性影響及改善措施開展研究工作，解決脈沖功率多層瓷介電容器在使用過程由于處理不當(dāng)造成受損進(jìn)而影響可靠性的問題，提高產(chǎn)品的可靠性。

高壓脈沖功率多層瓷介電容器（以下減稱高壓脈沖電容）作為近年來瓷介電容領(lǐng)域新產(chǎn)品，隨著產(chǎn)品可靠性逐年提升已具備全面替代傳統(tǒng)高壓聚酯電容的條件，可以廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域點(diǎn)火、引爆等產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。高壓脈沖電容相較與傳統(tǒng)瓷介電容體積較大、耐壓更高以及更低的ESR和ESL，因此在使用方面較傳統(tǒng)瓷介質(zhì)電容也有較大區(qū)別。國外90%高壓點(diǎn)火、引爆產(chǎn)品均采用高壓脈沖電容作為儲(chǔ)能元件，因此對(duì)于高壓脈沖電容的失效原因研究相對(duì)深入，國內(nèi)由于使用時(shí)間短，未開展外部應(yīng)力條件下失效機(jī)理和改善方法研究，國內(nèi)多個(gè)軍用產(chǎn)品均在使用中出現(xiàn)了外力條件下高壓脈沖電容失效問題，亟待開展這方面的研究。

1 高壓脈沖功率多層瓷介電容器機(jī)理

高壓脈沖電容是采用陶瓷介質(zhì)疊層印刷工藝，由陶瓷介質(zhì)和電極共燒而成，其最大特點(diǎn)是高比容、尺寸小、長壽命、高可靠，已成為是研制和生產(chǎn)電子點(diǎn)火和引爆裝置的重要元器件，具有良好的軍民領(lǐng)域市場(chǎng)前景。高壓脈沖電容由陶瓷介質(zhì)、70Ag/30Pd貴金屬內(nèi)電極、金屬外電極等三部分組成，采用電子陶瓷材料作為介質(zhì)和70Ag/30Pd貴金屬內(nèi)電極經(jīng)交互疊層燒結(jié)后成為一種獨(dú)石結(jié)構(gòu)，其中交替又不相連的內(nèi)電極分別與兩端的外電極相連，形成一個(gè)多個(gè)電容器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電容量較大的電容器。高壓脈沖電容結(jié)構(gòu)方面盡管與傳統(tǒng)多層瓷介電容類似，但介質(zhì)材料、電極均采用復(fù)合型材料，以實(shí)現(xiàn)高耐壓、低損耗、高比容等特性，其產(chǎn)品技術(shù)難度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)瓷介電容，目前國際僅少數(shù)國家具備高壓脈沖功率多層瓷介電容器研發(fā)、生產(chǎn)能力。圖1高壓脈沖瓷介電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其等效電路示意圖。

圖1 高壓脈沖瓷介電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其等效電路示意圖

2 外部應(yīng)力對(duì)高壓脈沖多層瓷介質(zhì)電容器可靠性影響因素分析

高壓脈沖功率多層瓷介電容器在使用、焊接和裝配的過程中，外部應(yīng)力對(duì)可靠性影響因素主要可分為電應(yīng)力、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力三方面。

2.1 電應(yīng)力對(duì)于高壓脈沖多層瓷介質(zhì)電容器可靠性的影響

電應(yīng)力影響主要指的是在電容器額定參數(shù)條件以上的電壓、電流條件，對(duì)于高壓電容而言，工作過程往往是上千V，數(shù)千A電流放電，回路R、L、C參數(shù)作用下可能出現(xiàn)回路震蕩，造成電路出現(xiàn)過壓、過流電應(yīng)力導(dǎo)致電容器內(nèi)部瞬間被擊穿形成裂紋，裂紋由擊穿點(diǎn)向外延伸，穿過內(nèi)電極導(dǎo)致電容器絕緣電阻下降，漏電流增大，持續(xù)通電后使電容器局部溫度上升、裂紋增大，最終電容器燒毀。

2.2 熱應(yīng)力對(duì)于高壓脈沖多層瓷介質(zhì)電容器可靠性的影響

高壓脈沖電容內(nèi)部陶瓷介質(zhì)、內(nèi)電極層、外電極由于材料不同，熱條件下各種材料膨脹系數(shù)不同，在熱作用下會(huì)在材料內(nèi)部拉扯應(yīng)力，造成材料變形，當(dāng)材料形變超過彈性變形到達(dá)塑性變形就會(huì)造成局部材料撕裂，形成裂紋，裂紋到達(dá)電極層會(huì)造成加電電極擊穿電容失效。熱應(yīng)力損傷是瓷介質(zhì)電容器諸多失效外部因素中最常見的，熱應(yīng)力產(chǎn)生也是多方面的，包括使用過程中氣候環(huán)境、焊接過程中加熱等，但絕大多數(shù)高壓脈沖電容使用條件不超過+125℃遠(yuǎn)低于瓷介質(zhì)燒制溫度，因此常規(guī)使用條件不會(huì)對(duì)高壓瓷介電容產(chǎn)生影響，熱應(yīng)力損傷主要出現(xiàn)在焊接過程中。通過對(duì)高壓瓷介質(zhì)電容器各失效現(xiàn)象和原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)高壓瓷介電容器熱應(yīng)力損傷與手工焊接有直接關(guān)系，手工焊接過程中由于烙鐵端頭溫度高，烙鐵搭接處溫度遠(yuǎn)高于其他位置，且由于瓷體材料導(dǎo)熱性不良，電容局部熱量很難在短時(shí)間擴(kuò)散，造成局部與瓷體出現(xiàn)急劇溫度差，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力沖擊會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部出現(xiàn)弧形裂紋，裂紋形狀如下圖所示。如果電路板周邊存在其他元器件采用手工焊接的方式，位置又相臨，在此焊接過程中，熱量通過電路板傳遞到相鄰電容器的焊接面底部，使電容器受熱不均勻，急劇的溫度變化產(chǎn)生二次熱沖擊，造成電容器內(nèi)部出現(xiàn)弧形裂紋。此外，焊盤設(shè)計(jì)不合理，焊料過多，二次焊接，手工補(bǔ)焊等操作也可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成熱沖擊。

2.3 外部機(jī)械應(yīng)力對(duì)于高壓脈沖多層瓷介質(zhì)電容器可靠性的影響

高壓脈沖電容器在裝配和使用過程可能受到的機(jī)械外力經(jīng)分析主要有焊錫料收縮和使用過程外力兩方面。焊錫料收縮外力主要指焊接完成后隨著焊料的冷卻，焊料發(fā)生自然收縮造成焊錫對(duì)電路板以及電容本體拉扯；使用過程中外力主要指在安成焊接后，電路板存在劇烈的碰撞、沖擊、晃動(dòng)或板材意外變形等情況下，慣性作用下電容本體與焊盤之間會(huì)形成相互拉扯的作用力，或高壓脈沖電容受到外部物件的碰撞或推擠，容易造成電容器端電極下方與陶瓷體交界區(qū)域的收口處出現(xiàn)拉扯裂紋，裂紋斜向上延伸進(jìn)電極交錯(cuò)區(qū)域，造成電容器內(nèi)部出現(xiàn)薄弱區(qū)（裂紋附近），持續(xù)通電后會(huì)使電容器局部溫度上升并在裂縫處發(fā)生擊穿，最終電容器短路失效。

3 外力對(duì)于高壓脈沖多層瓷介質(zhì)電容器可靠性影響改善方法研究

3.1 對(duì)于異常電應(yīng)力導(dǎo)致失效問題改善方法研究

異常電應(yīng)力造成電容失效的核心在于余量設(shè)計(jì)問題，因此設(shè)計(jì)應(yīng)參考GJB299C相關(guān)要求：

（1）一般場(chǎng)合應(yīng)用中，按70%的額定電壓（Ⅲ級(jí)）降額使用。

（2）在重要、關(guān)鍵電路等應(yīng)用中，按50%的額定電壓（Ⅰ級(jí)）或按60%的額定電壓（Ⅱ級(jí)）降額使用。

（3）在大功率、低阻抗電路中使用時(shí)，按30%的額定電壓降額使用，以免直流浪涌電流沖擊而造成電容器的損壞。

3.2 對(duì)于熱應(yīng)力沖擊導(dǎo)致失效問題的改善方法研究

熱應(yīng)力失效問題經(jīng)分析主要發(fā)生在焊接過程中，因此高壓脈沖電容焊接過程中應(yīng)采取以下改善方法提高產(chǎn)品的可靠性：

（1）控制焊接溫度（焊接前充分預(yù)熱，焊接之后不能急速冷卻）、焊接時(shí)間（不宜過長）、設(shè)備狀態(tài)等。

（2）避免過大的焊盤（尺寸、焊錫量）會(huì)導(dǎo)致電容器受到較大的熱沖擊（電容器內(nèi)部弧形裂紋）。

3.3 對(duì)于機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致失效問題的相關(guān)建議與措施

機(jī)械應(yīng)力失效問題經(jīng)分析主要由焊接應(yīng)力釋放和使用過程外力兩方面原因，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)采取以下改善方法：

（1）焊錫冷凝后會(huì)對(duì)電容器兩端形成相對(duì)的拉力，過大的焊盤會(huì)導(dǎo)致這種拉力越大，焊接過程，應(yīng)控制焊料用量使爬錫到電容器端頭的1/2為佳，最低不能小于1/3，最高不能大于2/3。焊料過少，端頭固著力不足電容器容易脫落，而焊料過多，焊料冷卻固化產(chǎn)生的收縮力作用于電容器，容易造成電容器端頭拉裂、脫落。

（2）電路板安裝孔一般都有螺栓或螺釘擰入，擰入時(shí)如果電路板底部和底腔有空隙會(huì)產(chǎn)生彎折力引起電路板變形，元器件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離安裝孔。

4 驗(yàn)證情況

結(jié)合在研究的某型產(chǎn)品開展了改善方法驗(yàn)證工作，2019年～2020年共投產(chǎn)產(chǎn)品305發(fā)，裝配高壓脈沖電容器610個(gè)，分別開展了氣候、力學(xué)、電磁等試驗(yàn)，高壓脈沖電容器裝機(jī)后失效率由96%提升到100%，改善方法的有效性得到驗(yàn)證。

結(jié)論：本文針對(duì)高壓脈沖電容使用過程中受外力作用可靠性收到影響的問題開展研究工作，通過對(duì)熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力條件下高壓脈沖電容器失效模式進(jìn)行機(jī)理分析，確定不同條件下失效原因，通過研究針對(duì)失效原因提出了真的對(duì)不同外力條件下改善方法，經(jīng)驗(yàn)證表明，改善方法能夠有效避免失效問題，提高產(chǎn)品的可靠性。