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电容失效分析
发布时间：2019/08/24 点击量：
一、前言
电容是电子设备的主要基本元件之一。广泛应用于电视、收音机、手机、电子仪器等设备中。它用于存储能量和传输信息，但也会由于一些内部和外部因素而失效。电容器在各种应力下的物理和化学变化导致电气参数恶化，最终失效，可分为电应力（电流、电压）和环境应力（湿度、温度、气压、振动和冲击）。本文简要分析了电容器的失效和可靠性。
电容主要参数
电容的主要参数包括额定电容和允许偏差、额定工作电压、介电强度、损耗、绝缘电阻、电容温度系数等。
1、由额定电容和允许偏差电容表示的电容称为额定电容。电容允许偏差的定义是电容允许偏差与额定容量之比，一般用百分比表示。
2、在规定的工作寿命内，可以连续施加在电容器上的最大直流电压或交流电压的有效值，称为电容器在允许条件下的额定工作电压。额定工作电压是指电容器在规定的时间和条件下能够可靠工作的电压。当工作条件或工作周期超过规定范围时，必须相应地改变电容器的工作电压，否则将影响电容器的工作可靠性。
3.介电强度电容器承受一定电场强度（或电压）而不击穿的能力称为介电强度，一般由耐压试验来评定。通过耐压试验，可以快速消除故障隐患电容器，保证成品电容器在使用寿命内的可靠性。
4。单位时间内，在损耗电场作用下，由于加热而产生的电容所消耗的能量称为电容损耗。在直流电场作用下，电介质的漏失主要表现在交流电场作用下，除了漏失外，还有电介质的极化损耗。此外，还必须考虑电容器金属部分（包括接触电阻）造成的损耗。损耗角正切通常用来表示电容器的损耗特性。
5、表征电容器绝缘性能的参数有绝缘电阻、时间常数和漏电流。直流电压与漏电流之比称为绝缘电阻。绝缘电阻作为一种绝缘指标，一般适用于电容小于0.1uf的有机电容器和所有有机电容器。时间常数是绝缘电阻和电容的乘积。它只取决于介质本身的性质，但与电容的几何尺寸无关。时间常数一般适用于电容量大于0.1Uf的有机介质电容器的绝缘性能。对于电解电容器来说，由于金属化膜介质中存在许多缺陷，用材料特性来表征电容器的绝缘特性是不可能的，因此漏电流直接用来评价电解电容器的绝缘性能。
6、温度系数电容器温度变化一度时电容变化的百分比称为温度系数。电容器的温度系数与介质材料的温度特性、电容器的结构和工艺有关。电容温度系数应尽可能接近于零。
二、陶瓷电容器的失效模式及失效机理
1、电容器常见的故障模式有短路、断路、参数漂移（包括电容、损耗、漏电流等）。
2、电容器常见的失效机理有：进料缺陷、施加电压过大、瞬态电压变化、浪涌电流、过度功耗、热应力、机械应力、污染等。
三。陶瓷电容器的失效机理
多层陶瓷电容器可靠性高，长期稳定使用。但是，如果装置本身在装配过程中存在缺陷或引入缺陷，将严重影响其可靠性。陶瓷电容器常见的失效机理如下：
1、来料缺陷
a）陶瓷介质中的孔
电介质中的空隙极易引起漏电，降低电介质强度。漏电容容易导致电容器局部过热。由于热电的正反馈，陶瓷介质的绝缘性能进一步降低，电容器在该位置的泄漏增加。循环过程不断发生和恶化，导致电容器参数漂移（绝缘电阻降低、损耗增加等）和电容器介质击穿，导致电容器两端电流过大，可能造成严重后果。爆炸，甚至燃烧。陶瓷电介质中的空隙情况，参见图1和图2中的典型形貌。
分析结论：贴片电容失效原因是由于电容器本身存在缺陷，在极板间存在许多空间，从而引起漏电流增大，耐电压降低，从而导致电容两端电压大幅度下降。
b）分层
多层烧结电容的烧成为多层材料叠放共烧，烧成温度可高达1000℃以上，烧成工艺的不良容易导致分层的发生，分层和空、细纹的危害相似，都是多层烧结电容重要的内容在缺乏。
结果表明，内电极之间存在层状结构，这可能与陶瓷的烧结不良有关。
2、温度冲击和机械应力引起的裂纹
温度冲击主要发生在电容焊过程中，不正确的修复也是造成温度冲击裂纹的重要原因。多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力，但抗弯性能较差。在电容器组装过程中，任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致电容器开裂。常见的应力来源有：陶瓷电容器与印刷电路板材料之间的膨胀系数不同，印刷电路板的机械弯曲、装配应力和机械冲击或振动。陶瓷电容器的机械断裂效应需要一段时间才能显现出来。例如，如果陶瓷电容器由于电路板的弯曲而损坏，当弯曲力被取消时，陶瓷电容器将恢复到正常位置，这可能不会导致显著的电气性能恶化。然而，陶瓷电容器极板是平行交错排列的，稍有错位会引起漏电流增大或短路。对于由机械应力引起的裂纹情况，参见图5和图6的典型形态。
分析结论：失效试样在磨削过程中陶瓷介质中发现裂纹，其中一条裂纹上出现击穿燃烧区。结果表明，电容断裂是先发生的，导致内电极层间错位，两内电极短路。裂纹中发现锡和氯离子，即焊料和助焊剂。试验还表明，焊接过程中应存在裂纹，而不是试样断裂所致。因此，电容失效的原因是机械应力（包括高温应力和机械应力）引起电容开裂和内电极短路，导致样品短路烧损失效。
分析结论：失效试样在磨削过程中陶瓷介质中发现裂纹，其中一条裂纹上出现击穿燃烧区。结果表明，电容断裂是先发生的，导致内电极层间错位，两内电极短路。裂纹中发现锡和氯离子，即焊料和助焊剂。试验还表明，焊接过程中应存在裂纹，而不是试样断裂所致。因此，电容失效的原因是机械应力（包括高温应力和机械应力）引起电容开裂和内电极短路，导致样品短路烧损失效。
