蔡娜 田智文 崔德勝 楊東偉 郭海明

（1中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京， 100071；2中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院物資中心，北京， 100076；）

1 瓷介電容器產(chǎn)品特性分析

多層瓷介電容器（以下簡(jiǎn)稱“瓷介電容器”）是目前電子設(shè)備中使用最廣泛的一種電容器，占整個(gè)電容器使用數(shù)量的50%左右。瓷介電容器由陶瓷介質(zhì)和金屬電極交互疊層構(gòu)成，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多個(gè)電容器并聯(lián)結(jié)構(gòu)。軍用瓷介電容器主要采用鈦酸鋇為主體的瓷粉材料做介質(zhì)材料和鈀銀為內(nèi)電極材料，近來(lái)也開始采用鎳、銅等金屬作為內(nèi)電極。

瓷介電容器耐熱性能好、絕緣性能優(yōu)良、體積小、比容大、壽命長(zhǎng)、可靠性高，在軍用裝備中大量應(yīng)用。瓷介電容器按介質(zhì)材料分為兩類，即1類和2類。按工作電壓又可分為高壓瓷介電容器和低壓瓷介電容器。瓷介電容器的外形結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，常見的有圓片形、管形、穿心式、筒形以及疊片式等。

1類瓷介電容器的介電常數(shù)一般小于100，溫度系數(shù)小，基本上不隨溫度、電壓、時(shí)間的改變而變化，該類瓷介電容器的損耗在很寬的范圍內(nèi)隨頻率的變化很小，并且高頻損耗值很小，電氣性能穩(wěn)定，屬超穩(wěn)定、低損耗的電容器介質(zhì)材料，常用于對(duì)穩(wěn)定性、可靠性要求較高的高頻場(chǎng)合。但由于該類陶瓷材料的介電常數(shù)較小，因此其容量值難以做高。

2類瓷介電容器的介電常數(shù)一般大于1000，此類材料特點(diǎn)在于介電常數(shù)大，電容器可以做到很大容量，容量范圍寬，但頻率特性和溫度特性較差，容量會(huì)隨著溫度、頻率、外加電壓的變化而變化，容量穩(wěn)定性以及損耗與1類瓷介電容器相比較差。因此適合于對(duì)容量、損耗和溫度特性要求不高的低頻電路做旁路、耦合、濾波等電路使用。

表征電容器產(chǎn)品特性的主要參數(shù)指標(biāo)有電容量、介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻、損耗角正切等。具體包括以下。

a）電容量：指電容器設(shè)計(jì)確定的和通常在電容器上所標(biāo)出的電容量值。

b）介質(zhì)耐電壓：在規(guī)定條件和時(shí)間內(nèi)，介質(zhì)承受電壓作用而不發(fā)生擊穿與飛弧的能力。

c）絕緣電阻：電容器引出端之間的直流電阻值，它是對(duì)電容器在額定直流電壓作用下介質(zhì)抗漏電流能力的度量。

d）損耗角正切：是在規(guī)定頻率的正弦電壓下，電容器的損耗功率除以電容器的無(wú)功功率。

2 瓷介電容器失效模式及失效機(jī)理研究

瓷介電容器的失效模式主要有：開路、短路和參數(shù)漂移。

2.1 開路失效

開路失效的出現(xiàn)概率低于短路失效，會(huì)造成電容值消失，但不會(huì)造成絕緣下降，在一些電路中可能不會(huì)影響整機(jī)設(shè)備的正常工作，其產(chǎn)生原因包括2個(gè)方面：一是產(chǎn)品固有缺陷即端電極的附著強(qiáng)度不夠，造成端電極與瓷體的脫落，內(nèi)、外電極不能正常連接。因此在產(chǎn)品規(guī)范的考核項(xiàng)目中會(huì)開展“引出端強(qiáng)度”試驗(yàn)考核。二是使用過(guò)程中引入外力作用而使電容器瓷體斷裂，此類失效主要發(fā)生于片式瓷介電容器。因此在產(chǎn)品規(guī)范的考核項(xiàng)目中會(huì)在“溫度沖擊、振動(dòng)、沖擊”等試驗(yàn)后進(jìn)行外觀檢查和電容量測(cè)試。

2.2 參數(shù)漂移

參數(shù)漂移失效模式主要有容值變化、絕緣電阻變化及損耗變化等。產(chǎn)生的原因有產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程引入的缺陷，也有使用不當(dāng)造成的。生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)可能產(chǎn)生分層、空隙、內(nèi)電極結(jié)瘤等固有缺陷，造成參數(shù)漂移或在工作一定時(shí)間后發(fā)生參數(shù)漂移；在使用過(guò)程中引入的外界因素，如助焊劑殘留、表面污染、貯存環(huán)境不當(dāng)?shù)?，也?huì)使瓷介電容器參數(shù)漂移。

2.3 短路失效

短路失效是瓷介電容器較多發(fā)生的失效模式，會(huì)造成絕緣下降甚至是部分設(shè)備燒毀，一般對(duì)設(shè)備整機(jī)影響較大，是設(shè)計(jì)人員最擔(dān)心出現(xiàn)的失效現(xiàn)象，其產(chǎn)生的原因也是多樣的。經(jīng)分析，產(chǎn)生短路失效的原因主要包括2類。

2.3.1 電容器存在的固有缺陷

a）分層：電容器常見的固有缺陷之一是其內(nèi)部存在分層，是在電容器生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的。瓷介電容器是由印有金屬電極的陶瓷介質(zhì)膜疊層后在高溫下燒結(jié)而成的，如果陶瓷介質(zhì)與內(nèi)電極的匹配不好，排膠與燒結(jié)的溫度曲線設(shè)置不合理，將會(huì)產(chǎn)生電容器電極與介質(zhì)間分層。

b）電極結(jié)瘤：電容器的耐電壓能力直接由電容器介質(zhì)的有效厚度決定，電容器內(nèi)電極結(jié)瘤會(huì)引起局部介質(zhì)變薄，導(dǎo)致該位置耐壓能力弱，成為容易失效的薄弱點(diǎn)。

c）介質(zhì)存在孔洞：由于多層瓷介電容器的介質(zhì)為陶瓷材料，這種材料是由金屬氧化物粉末和粘合劑混合后通過(guò)流延制作成薄膜后再燒結(jié)而成。如果流延膜存在氣泡，燒結(jié)后在瓷體內(nèi)部可能會(huì)形成超標(biāo)的空洞，長(zhǎng)期通電過(guò)程中空洞處漏電流增加，電容器產(chǎn)生的熱能大于其散發(fā)熱能，形成熱量積累，導(dǎo)致電容器內(nèi)部的溫度升高，造成介質(zhì)損耗增加，這又繼續(xù)引起溫度升高形成正反饋，使內(nèi)電極金屬溶融并遷移，漏電流超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)介質(zhì)會(huì)燒焦。

d）端電極缺陷：多層瓷介電容器的最內(nèi)層端電極是通過(guò)將端頭浸入端漿材料后再燒端而制成，在涂端和燒端的過(guò)程中端電極內(nèi)部可能因工藝控制不到位而產(chǎn)生孔洞等缺陷，可能導(dǎo)致電容器失效或損耗增大。

2.3.2 使用過(guò)程中引起的短路失效

a）機(jī)械應(yīng)力：瓷介電容器安裝后破裂是常見的失效現(xiàn)象，常見原因之一是電容器受到外界過(guò)大的機(jī)械應(yīng)力所致，而機(jī)械應(yīng)力一般由于電路板彎曲引起。過(guò)強(qiáng)或過(guò)急彎曲電路板使兩焊接點(diǎn)產(chǎn)生相反方向的機(jī)械應(yīng)力，在電容器最弱的位置（一般在瓷體和端頭的交接點(diǎn)）容易產(chǎn)生裂縫。該裂縫初期可能很細(xì)而沒有穿透相鄰的內(nèi)電極，常規(guī)測(cè)試一般都不能發(fā)現(xiàn)，經(jīng)溫度循環(huán)和振動(dòng)后，微裂紋可能繼續(xù)擴(kuò)大[1]。如果在使用時(shí)對(duì)產(chǎn)生裂紋的電容器兩端施加電壓，電場(chǎng)會(huì)使相鄰內(nèi)電極材料沿裂紋處遷移[2]，電容器絕緣電阻下降，漏電流增大，最終表現(xiàn)為短路。

b）熱應(yīng)力：陶瓷電容器由于其制造工藝上的特點(diǎn)，能承受相當(dāng)高的溫度，一般介質(zhì)材料在1100℃至1200℃燒結(jié)，因此能承受很高的溫度而元件無(wú)損傷性缺陷，但不能使產(chǎn)品經(jīng)受突然的或不一致的溫度變化，它會(huì)因熱沖擊而失效。

c）電應(yīng)力：對(duì)于電源輸出端來(lái)說(shuō)，一般情況下電壓較低（例如15V、12V、5V等等），電壓比較穩(wěn)定，很少出現(xiàn)尖峰電壓，風(fēng)險(xiǎn)較低。但是對(duì)于電源的輸入端，一般情況下電壓較高（例如28V），電壓波動(dòng)范圍較寬，噪聲的尖峰電壓也可能會(huì)很高，會(huì)超過(guò)電容器的額定電壓，使電容器電擊穿，產(chǎn)生短路失效。

3 產(chǎn)品規(guī)范中考核項(xiàng)目設(shè)計(jì)解讀

基于瓷介電容產(chǎn)品本身特性及其特有的失效模式和機(jī)理，設(shè)計(jì)了瓷介電容器產(chǎn)品規(guī)范中相應(yīng)的試驗(yàn)考核項(xiàng)目，目的是驗(yàn)證產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性滿足要求的能力。本文選取了《有失效率等級(jí)的無(wú)包封多層片式瓷介固定電容器通用規(guī)范》 《1類瓷介固定電容器通用規(guī)范》 《2類瓷介固定電容器通用規(guī)范》 《高可靠瓷介固定電容器通用規(guī)范》等4個(gè)瓷介電容器通用規(guī)范進(jìn)行分析。表1列出了4個(gè)通用規(guī)范給出的鑒定檢驗(yàn)項(xiàng)目表。

表1 4個(gè)通用規(guī)范鑒定檢驗(yàn)項(xiàng)目匯總表

固有缺陷引起的失效：由于產(chǎn)品本身缺陷引起的短路、開路和參數(shù)漂移等失效，在過(guò)程控制和篩選中設(shè)計(jì)了“X射線檢查、超聲掃描、破壞性物理分析（DPA）”等檢驗(yàn)項(xiàng)目，并測(cè)試產(chǎn)品“電容量、介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻、損耗角正切”等是否滿足要求。

應(yīng)用過(guò)程中引起的失效：由于力、熱、電等應(yīng)力及高低溫、潮濕等應(yīng)用條件及相關(guān)環(huán)境可能引起的電容器失效，在產(chǎn)品考核試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了“電壓處理、介質(zhì)耐電壓、溫度沖擊和浸漬循環(huán)、耐焊接熱、耐濕、鹽霧、穩(wěn)態(tài)濕熱 （低電壓）、壽命 （在高溫下）、低氣壓、密封、霉菌、耐溶劑、引出端強(qiáng)度、耐焊接熱、可焊性”等考核項(xiàng)目，驗(yàn)證產(chǎn)品的環(huán)境適用能力，這些試驗(yàn)項(xiàng)目均在表1不同規(guī)范中有所體現(xiàn)。

a）壽命：高溫額定電壓下工作1000h以上，驗(yàn)證產(chǎn)品的工作可靠性，是至關(guān)重要的一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。

b）溫度特性（溫度系數(shù)）：指在一定的溫度范圍內(nèi)電容量隨溫度變化量。1類瓷容量隨溫度變化很小，穩(wěn)定性好。2類瓷容量隨溫度變化較大。溫度特性是電容器的一個(gè)重要特性，需要根據(jù)不同的溫度特性進(jìn)行選用。

c）可焊性：基于可能出現(xiàn)的接觸不良失效模式，模擬了貯存條件下自然老化對(duì)引出端焊料層的影響，對(duì)引出端焊料層進(jìn)行考核。

d）引出端強(qiáng)度：基于可能出現(xiàn)的脫焊、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等失效，檢驗(yàn)引出端對(duì)外界應(yīng)力的適應(yīng)性。

e）耐焊接熱：主要是模擬實(shí)際焊接過(guò)程，檢驗(yàn)焊接熱量是否會(huì)對(duì)電容器內(nèi)部焊料、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

f）力學(xué)試驗(yàn)：對(duì)于武器裝備應(yīng)用環(huán)境較惡劣，設(shè)計(jì)有“振動(dòng)、沖擊、耐濕、溫度沖擊和浸漬項(xiàng)目”等試驗(yàn)項(xiàng)目，其中振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)主要檢驗(yàn)電容器結(jié)構(gòu)是否會(huì)松動(dòng)、能否造成脫焊、接觸不良等試驗(yàn)。

g）穩(wěn)態(tài)濕熱（低電壓）：是瓷介電容器需要特別關(guān)注的試驗(yàn)項(xiàng)目，特別是在高可靠應(yīng)用時(shí)，因?yàn)榈碗妷菏У臋C(jī)理是漏電流增大，在較大濕度情況下，由于瓷介電容器為非密封器件，會(huì)導(dǎo)致潮氣滲入，在電容兩端電極加電壓時(shí)，滲入的潮氣會(huì)使介質(zhì)層中產(chǎn)生漏電流，漏電流較大時(shí)，可能使電容器產(chǎn)生大量的熱量而發(fā)生短路擊穿，這個(gè)現(xiàn)象在濕度儲(chǔ)存試驗(yàn)后加電運(yùn)行時(shí)最容易出現(xiàn)。

4 結(jié)論與建議

產(chǎn)品規(guī)范是驗(yàn)證與檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的重要依據(jù)，為確保產(chǎn)品規(guī)范內(nèi)容的科學(xué)性和合理性，產(chǎn)品規(guī)范中試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要基于產(chǎn)品特性和產(chǎn)品特有的失效模式，不能簡(jiǎn)單的照搬照抄其他規(guī)范。

基于產(chǎn)品失效模式開展標(biāo)準(zhǔn)正向設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能性能、質(zhì)量可靠性、環(huán)境適應(yīng)性檢驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)考慮樣品分配經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)判斷相對(duì)獨(dú)立等因素。通過(guò)本文對(duì)瓷介電容器通用規(guī)范的剖析，驗(yàn)證和實(shí)踐了此種設(shè)計(jì)思路的可行性，為后續(xù)開展新類別通用規(guī)范的設(shè)計(jì)提供參考。

基于失效模式解讀產(chǎn)品通用規(guī)范，對(duì)于產(chǎn)品規(guī)范的認(rèn)識(shí)要做到 “知其然，也知其所以然”，才能正確合理地選用和實(shí)施通用規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)合理剪裁原則，從產(chǎn)品本身的特性出發(fā)，分析產(chǎn)品的可能失效機(jī)理，考慮產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目的合理增補(bǔ)或刪減。在支撐產(chǎn)品質(zhì)量的提升的同時(shí)，兼顧產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)特性，更好地發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)效能。