为什么陶瓷电容会失效?如何解决?
tencentUser 2024-01-25

今天给大家分享的是陶瓷电容失效模式及机理分析。

陶瓷电容是一种定值电容,其中电介质由陶瓷材料制成。

陶瓷电容由两个或多个交替的陶瓷层和一个金属电极层组成,陶瓷材料的电性能和应用由其成分决定。

陶瓷电容实物图

陶瓷电容实物图

但是当陶瓷电容出现故障时,又是什么原因?

这里从两个方面进行分析:

  • 1、陶瓷电容失效模式

  • 2、陶瓷电容失效机理分析

一、陶瓷电容器失效模式

陶瓷电容耐压的典型故障模式有以下三种:

1、第一种方式:电极边缘陶瓷穿透(击穿点在银面边缘)

(1)可能的原因:

  • 粉剂及其配方问题

  • 平边致密性差

    电极边缘陶瓷穿透电极边缘陶瓷穿透

(2)过程中失效模式的具体表现 :

  • 银边边缘的针孔

  • 银面边缘有针孔,该位置部分陶瓷爆裂。

  • 裂纹(先是针孔,后是裂纹,元件表面有烧蚀和碳化的小黑点 ,裂纹是新的痕迹。)

(3)具体措施:

  • 及时向前端流程反馈信息,要求其改进和提高地面的整体抗压水平 。

2、第二种方式:陶瓷芯片沿边导电或陶瓷芯片边沿断裂损坏(击穿点在元件一侧)

陶瓷芯片沿边导电或陶瓷芯片边沿断裂损坏

陶瓷芯片沿边导电或陶瓷芯片边沿断裂损坏

(1)可能的原因:

  • 素地表面有污渍,如银、助焊剂、油、 焊渣等。

  • 油漆中有导电杂质

  • 油漆中有气泡

  • 涂料密度差

  • 涂层包封层固化不充分

(2)过程中失效模式的具体表现 :

  • 十字弧

  • 收起

  • 侧爆

(3)具体的应对措施:

  • 元素外观(扩散、侧银)控制;

  • 通量水平适度控制,瓷砖浸入深度控制;

  • 及时彻底清理锡槽内的锡渣等杂质;

  • 涂层绝缘质量证明书;

  • 涂层封装和固化过程的质量保证 。

3、第三种方式:电极中的陶瓷芯片被击穿(击穿点在元件中心(银面)及其周围位置)

(1)可能的原因:

  • 密实度很差

  • 有裂纹、气泡、导电杂质等。

(2)过程中失效模式的具体表现 :

  • 元件中心及其周围的针孔

  • 元件中心及其周边有针孔。与此同时,这个位置的一些陶瓷爆裂。

  • 裂纹(先针孔后裂纹,元件表面有烧蚀和碳化的小黑点,裂纹为新的痕迹。

(3)具体应对措施:

  • 元素外观(扩散、侧银)控制;

  • 通量水平适度控制,瓷砖浸入 深度控制;

  • 及时彻底清理锡槽内的锡渣等杂质;

  • 涂层绝缘质量证明书;

  • 涂层封装 和固化过程的质量保证 。

    电极中的陶瓷芯片被击穿

    电极中的陶瓷芯片被击穿

二、陶瓷电容失效的 7 个原因

1、湿度对电气参数劣化的影响

当空气中的湿度过高时, 水膜会凝结在陶瓷电容外壳表面,降低陶瓷电容的表面绝缘电阻 。湿气还会渗入半密封电容中的电容介质 ,降低电容介质的绝缘电阻和绝缘能力。

高温、高湿环境对陶瓷电容特性 劣化的影响是巨大的。

干燥除湿后电容的电性能增强,但水分子电解的反响无法消除。例如,电容在高温下工作, 水分子被电场电解成氢离子(H+)和氢氧根离子(OH-),导致铅根部发生电化学腐蚀。即使干燥除湿,引线也无法恢复。

2、 银离子迁移的后果

大多数无机介电陶瓷电容都使用银电极。当半密封电容暴露在高温下时, 渗透电容的水分子会引起电解。阳极发生氧化反应,银离子与氢氧根离子相互作用生成氢氧化银;阴极发生还原反应,其中氢氧化银与氢离子反应生成银和水。阳极的银离子通过电极反应不断还原到阴极,形成不连续的金属银颗粒,通过水层连接,呈树状延伸到阳极。

银离子不仅在无机介质表面迁移,而且向内部扩散,增加了漏电流。 在极端情况下,可以使用两个银电极之间的完全短路 ,从而导致陶瓷电容失效。离子迁移会严重损坏正极表面的银层 。

在引线焊点和电极表面的银层之间有一种具有 半导体性质的氧化银,增加了非介质电容的等效串联电阻,增加了金属元件的损耗,提高了电容器的性能,损失的正切值急剧增加。

陶瓷电容的电容随着正极有效面积的减小而减小。 在无机介电电容的两个电极之间的介电体表面上存在 氧化银半导体会降低表面绝缘电阻。当银离子迁移严重时,两个电极之间会形成树枝状银桥,大大降低电容的绝缘电阻。

总而言之,银离子迁移不仅会降低开放式无机介电陶瓷电容的电性能,而且还可能导致介电击穿场强度降低,从而导致陶瓷电容失效。值得注意的是, 银电极低频陶瓷独石电容由于银离子迁移而比其他类型的陶瓷介质电容器 发生故障的频率要高得多。在银电极与陶瓷介质的初始烧结过程中,银参与陶瓷介质表面的固相反应, 并渗入陶瓷-银触点,产生界面层。

如果陶瓷介质的密度不够,银离子不仅可以在陶瓷介质的表面迁移,而且在水分渗透后可以穿过陶瓷介质层。多层层压结构有多个间隙,电极定位困难,介质表面的边缘数量有限。当外电极覆盖在叠层两端时,银浆渗入间隙,降低介质表面的绝缘电阻,在电极之间形成间隙,当银离子迁移时,通道变短,短路现象很常见。

3、陶瓷电容在高温条件下的击穿机理

当半密封陶瓷电容在高湿度环境中使用时,击穿故障是一个常见的严重问题。发生的两种类型的击穿是介电击穿和表面电弧击穿。根据发生的时间,介电击穿可分为早期击穿或老化击穿。早期故障揭示了陶瓷电容介电材料的缺陷和制造技术,由于这些缺陷,陶瓷电介质的介电强度显着降低。

陶瓷电容在耐压试验期间或在运行初期,由于电场在高湿度环境中的作用,会发生电击穿。电化学击穿是最常见的老化击穿类型。由于陶瓷电容中银的迁移,电解老化击穿已成为一个相当普遍的问题。银迁移产生的导电枝晶会局部增加漏电流,导致热击穿和陶瓷电容破裂或烧坏。

由于击穿过程中局部发热较高,而较薄的管壁或较小的陶瓷体容易烧毁或破裂,因此热击穿最常发生在管状或圆盘状微型陶瓷介电电容中。此外,在主要由二氧化钛构成的陶瓷介质中 , 二氧化钛在应力环境下可能发生还原反应 ,导致钛离子从四价转变为三价。

当陶瓷电介质老化时,陶瓷电容的介电强度会大大降低,可能导陶瓷电容故障。因此,这些陶瓷电容的电解击穿比不含 二氧化钛的陶瓷介质电容更严重。银离子的迁移使陶瓷电容电极间的电场发生畸变,并且由于高湿度环境下陶瓷介质表面的冷凝水膜,陶瓷电容边缘表面的电晕放电电压急剧下降,导致表面电弧现象。

在极端情况下,银离子的迁移会导致陶瓷电容表面电极之间的电弧击穿。表面击穿受电容结构、电极间距离、负载电压、保护层疏水性和透湿性等参数的影响。边缘表面电极之间产生电弧的主要原因是电介质中残留的边缘量很小, 离子迁移在潮湿环境中工作时会产生表面水层,使陶瓷电容的边缘表面绝缘。银离子迁移的形成和发展需要一段时间 ,因此,耐压试验中的主要失效模式是介质击穿。然而,经过 500 小时的测试,唯一的故障模式是边缘表面之间的过度电弧击穿。

4、电极材料的改进

银电极长期以来一直用于陶瓷电容。陶瓷电容失效的主要原因是银离子迁移和由此导致的含钛陶瓷电介质加速老化。在陶瓷电容器的制造中,一些生产商已经使用 镍电极代替银电极,并且在陶瓷基板上使用了化学镀镍。陶瓷电容的性能和可靠性得到提高,因为镍的化学稳定性 优于银,并且电迁移率低。

例如,以银为电极的单片低频陶瓷介质电容,由于银电极与陶瓷材料在900℃下一次烧结,陶瓷材料无法获得致密的陶瓷介质,因此孔隙率较大,孔隙率大。另外, 银电极被广泛使用,助溶剂氧化钡会渗透到瓷体内部,依靠氧化钡和银在高温下良好的渗透“互熔”能力,在电极和介质内部产生热扩散,产生肉眼可见的“瓷器”。吸收” 银和氧化钡进入瓷体后,介质的有效厚度大大降低,导致绝缘电阻和产品可靠性下降。

使用银钯电极代替一般含有氧化钡的电极,材料配方中加入1%的5#玻璃料提高独石电容的可靠性。可以防止金属电极在高温首次烧结过程中热迁移到陶瓷介电层,使陶瓷材料更快地烧结和致密化,提高产品的性能和耐用性。与原工艺和介质材料相比,电容的可靠性提高了1~2个数量级。

5、叠层陶瓷电容的断裂

断裂是叠层陶瓷电容最普遍的失效模式,这是由电介质的脆性决定的。由于叠层陶瓷电容直接焊接在电路板上,因此会立即承受电路板的机械应力,而引线式陶瓷电容可能会通过引脚吸收机械应力。因此,各种热膨胀系数或电路板弯曲引起的机械应力将成为叠层陶瓷电容破裂的主要原因 。

6、叠层陶瓷电容的断裂分析

一旦叠层陶瓷电容发生机械破裂,断裂处的电极绝缘分离将小于击穿电压,导致两个或多个电极之间发生电弧放电,导致叠层陶瓷电容完全失效。尽量减少线路板的弯曲,减少陶瓷贴片电容对线路板的应力,减小叠层陶瓷电容与线路板的热膨胀系数之差,机械应力是主要方法以防止叠层陶瓷电容的机械断裂。

通过选择小封装尺寸的陶瓷电容 ,可以减少层压陶瓷电容与电路板之间的热膨胀系数差异引起的机械应力。例如,铝基电路板应采用尽可能小的封装。可以用几个并联或叠片来解决,也可以用管脚封装形式的陶瓷电容来解决。

7、叠层陶瓷电容的电极端子熔喷

波峰焊层叠陶瓷电容时, 电极端子可能会被焊锡熔化 。根本的解释是波峰焊叠层陶瓷电容与高温焊锡接触的时间过长。目前市场上的叠层陶瓷电容分为两种:适合回流焊 的和适合波峰焊的,极端磁头熔化现象。

解决方法很简单:在使用波峰焊工艺时,尽量使用贴合波峰焊工艺的叠层陶瓷电容器 ,或者尽量避免使用回流焊工艺。

(来源于:Candy,原文链接:https://www.utmel.com/blog/categories/capacitors/ceramic-capacitor-failure-mode-and-mechanism-analysis)

以上就是关于陶陶瓷电容失效机理、原因及解决方法的知识,希望大家多多支持我,得点赞,关注,有问题欢迎在评论区留言,大家一起讨论。

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