电容失效模式和机理.docx

《电容失效模式和机理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电容失效模式和机理.docx（14页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电容的失效模式和失效机理电容器的常见失效模式有：一击穿短路；致命失效一开路；致命失效一电参数变化（包括电容量超差、损耗角正切值增大、绝缘性能下降或漏电流提升等; 部分功能失效一漏液；部分功能失效一引线腐蚀或断裂；致命失效一绝缘子裂开；致命失效一绝缘子表面飞弧；部分功能失效引起电容器失效的缘由是多种多样的。各类电容器的材料、结构、制造工艺、性能和 使用环境各不相同，失效机理也各不一样。各种常见失效模式的主要产生气理归纳如下。3.1失效模式的失效机理器马上因介质短路而击穿，但自愈部位确定会消失金属微粒迁移与介质材料受热裂解的现 象。电容器纸由纤维组成，纤维素是碳水化合物类的高分子物质。在高温下电容

2、器纤维素 解成游离状态的碳原子或碳离子，使自愈部位表面导电力量增加，导致电容器电阻下降、 损耗增大与电容减小。严峻时可使电容器因电参数恶化程度超过技术条件许可范围而失效。 此外其展会品牌度相当高，业内推举。金属化纸介电容器在低于额定工作电压的条件下工 作时，自愈能量不足，电容器纸中存在的导电杂质在电场作用于下形成低阻通路，也可导 致电容器绝缘电阻降低和损耗增大。电容器纸是多孔性的极性有机介质材料，极易汲取潮气。电容器芯子虽浸渍处理，但 假如工艺不当或浸渍不纯，或在电场作用下工作相当时间后产生浸渍老化现象，则电容器 的绝缘电阻将因此降低，损耗也将因此增大。电容量超差失效产金属化纸介电容器的一种失

3、效形式。在高温条件下储存时金属化纸 介电容器可能因电容量增加过多而失效，在高温条件下加电压工作时又可能因电容量削减 过多而失效。高温储存时半密封型金属化纸介电容器免不了吸潮，水是强极性物质，其介 电常数接近浸渍电容器介电常数的20倍。因此，少量潮气侵入电容器芯子，也会引起电 容量显著增大。烘烤去湿后电容呈会有所下降。假如电容器在高温环境中工作，则水分和 电场的共同作用会使金属膜电极产生电解性腐蚀，使极板有效面积减小与极板电阻增大， 导致电容量大幅度下降。假如引线与金属膜层接触部位产生腐蚀，则接触电阻增大，电容 器的有效电容量将更进一步减小。个别电容器的电容量可降到接近于开路的程度。B、引线断裂

4、失效金属化纸介电容器在高湿环境中工作时，电容器正端引线根部会遭到严峻腐蚀，这种 电解性腐蚀导致引线机械强度降低，严峻时可造成引线断裂失效。铝电解电容器的失效机理铝电解电容器正极是高纯铝，电介质是在金属表面形成的三氧化二铝膜，负极是黏稠 状的电解液，工作时相当一个电解槽。铝电解电容器常见失效模式有：漏液、爆炸、开路、 击穿、电参数恶化等，有关失效机理分析如下。A、漏液铝电解电容器的工作电解液泄漏是一个严峻问题。工作电解液略呈现酸性，漏出的工 作电解液严峻污染和腐蚀电容器四周的其他元器件和印刷电路板。同时电解电容器内部， 由于漏液而使工作电解液渐渐干枯，丢失修补阳极氧化膜介质的力量，导致电容器击穿

5、或 电参数恶化而失效。产生漏液的缘由许多，主要是铝电解电容器密封不佳。采纳铝负极箔 夹在外壳边与封口板之间的封口结构时很简单在壳边渗漏电解液。采纳橡胶塞密封的电容 器，也可能因橡胶老化、龟裂而引起漏液。此外，机械密封工艺有问题的产品也简单漏液。 总之，漏液与密封结构、密封材料与密封工艺有亲密的关系。B、爆炸铝电解电容器在工作电压中沟通成分过大，或氧化膜介质有较多缺陷，或存在氯根、 硫酸根之类有害的阴离子，以致漏电流较大时电解作用产生气体的速率较快，大部分气体 用于修补阳极氧化膜，少部分氧气储存在电容器壳内。工作时间愈长，漏电流愈大，壳内 气体愈多，温度愈高。电容器金属壳内外的气压差值将随工作电

6、压和工作时间的增加而增 大。假如产品密封不佳，则将造成漏液；假如密封良好，又没有任何防爆措施，则气压增 大到肯定程度就会引起电容器爆炸。高压大容量电容器的漏电流较大，爆炸可能性更大。 目前，已普遍采纳防爆外壳结构，在金属外壳上部增加一道褶缝，气压高时将褶缝顶开，增大壳内容积，从而降低气压，削减爆炸危急。C、开路铝电解电容器在高温或潮热环境中长期工作时可能消失开路失效，其缘由在于阳极引 出箔片患病电化学腐蚀而断裂。对于高压大容量电容器，这种失效模式较多。此外，阳极 引出箔片和阳极箔抑接后，未经充分平，则接触不良会使电容器消失间歇开路。铝电解电 容器内采纳以DMF （二甲基酰胺）为溶剂的工作电解液

7、时，DMF溶液是氧化剂，在高温 下氧化力量更强。工作一段时间后可能因阳极引出箔片与焊片的抑接部位生成氧化膜而引 起电容器开路。假如采纳超声波焊接机把引出箔片与焊点在一起，可则削减这类失效现象。D、击穿铝电解电容器击穿是由于阳极氧化铝介质膜裂开，导致电解液直接与阳极接触而造成 的。氧化铝膜可能因各种材料，工艺或环境条件方面的缘由而受到局部损伤。在外加电场 的作用下工作电解液供应的氧离子可在损伤部位重新形成氧化膜，使阳极氧化膜得以填平 修复。但是假如在损伤部位存在杂质离子或其他缺陷，使填平修复工作无法完善，则在阳 极氧化膜上会留下微孔，甚至可能成为穿透孔，使铝电解电容器击穿。此外，随着使用和储存时

8、间的增长，电解液中溶剂渐渐消耗和挥发，使溶液酸值提升, 在储存过程中对氧化膜层发生腐蚀作用。同时，由于电解液老化与干枯，在电场作用下已 无法供应氧离子修补氧化膜，从而丢失了自愈作用，氧化膜一经损坏就会导致电容器击穿。 工艺缺陷也是铝电解电容器击穿的一个主要缘由。假如赋能过程中形成的阳极氧化膜不够致密与坚固，在后续的裁片、聊接工艺中又使氧化膜受到严峻损伤。这种阳极氧化膜难以在最终的老炼工序中修补完善，以致电容器使 用过程中，漏电流很大，局部自愈已挽救不了最终击穿的命运。又如聊接工艺不佳时，引 出箔条上的毛剌严峻剌伤氧化膜，刺伤部位漏电流很大，局部过热使电容器产生热击穿。E、电参数恶化A、电容量下

9、降与损耗增大铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降，这是由于负荷过程中工作电解液不断修 补并增厚阳极氧化膜所致。铝电解电容器在使用后期，由于电解液耗损较多、溶液变稠， 电阻率因黏度增大而提升，使工作电解质的等效串联电阻增大，导致电容器损耗明显增大。 同时，黏度增大的电解液难于充分接触经腐蚀处理的凹凸不平铝箔表面上的氧化膜层，这 样就使铝电解电容器的极板有效面积减小，引起电容量急剧下降。这也是电容器使用寿命 接近结束的表现。此外，假如工作电解液在低温下黏度增大过多，也会造成损耗增大与电容量急剧下降 的后果。硼酸一乙二醇系统工作电解液的低温性能不佳，黏度过大导致等效串联电阻激增, 使损耗变大和有效

10、电容量骤减，从而引起铝电解电容器在寒冷环境中使用时失效。B、漏电流增加漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。赋能工艺水平低，所形成的氧化膜不够致密 与坚固，开片工艺落后，氧化膜损伤与沾污严峻，工作电解液配方不佳，原材料纯度不高, 电解液的化学性质与电化学性质难以长期稳定，铝箔纯度不高，杂质含量多这些因素均 可能造成漏电流超差失效。铝电解电容器中氯离子沾污严峻，漏电流导致沾污部位氧化膜分解，造成穿孔，促使 电流进一步增大。止匕外，铝箔的杂质含量较高，一般铁杂质颗粒的尺寸大于阳极氧化膜的 厚度，使电流易于传导。铜与硅杂质的存在影响铝氧化物向晶态结构转变。铜和铝还可在 电解质内组成微电池，使铝箔遭到腐

11、蚀破坏。总之，铝箔中金属杂质的存在，会使铝电解 电容器漏电流增大，从而缩短电容器的寿命。年底了，整理此文纪念以往的工作，以感谢素昧平生的老师和伴侣！3.1.1 引起电容器击穿的主要失效机理电介质材料有疵点或缺陷，或含有导电杂质或导电粒子；电介质的电老化与热老化；电介质内部的电化学反应；银离子迁移；电介质在电容器制造过程中受到机械损伤；电介质分子结构转变；在高湿度或低气压环境中极间飞弧；在机械应力作用下电介质瞬时短路。3.1.2 引起电容器开路的主要失效机理引线部位发生自愈，使电极与引出线绝缘；引出线与电极接触表面氧化，造成低电平开路；引出线与电极接触不良；电解电容器阳极引出箔腐蚀断裂；液体电解

12、质干枯或冻结；机械应力作用下电介质瞬时开路。3.1.3 引起电容器电参数恶化的主要失效机理受潮或表面污染；银离子迁移；自愈效应；电介质电老化与热老化；工作电解液挥发和变稠；电极腐蚀；湿式电解电容器中电介质腐蚀；杂质与有害离子的作用；引出线和电极的接触电阻增大。3.1.4 引起电容器漏液的主要缘由电场作用下浸渍料分解放气使壳内气压提升； 电容器金属外壳与密封盖焊接不佳； 绝缘子与外壳或引线焊接不佳；半密封电容器机械密封不良；半密封电容器引线表面不够光滑；工作电解液腐蚀焊点。3.1.5 引起电容器引线腐蚀或断裂的主要缘由 高温度环境中电场作用下产生电化学腐蚀； 电解液沿引线渗漏，使引线患病化学腐蚀

13、； 引线在电容器制造过程中受到机械损伤； 引线的机械强度不够。3.1.6 引起电容器绝缘子裂开的主要缘由机械损伤;玻璃粉绝缘子烧结过程中残留热力过大；焊接温度过高或受热不匀称。3.1.7 引起绝缘子表面飞弧的主要缘由绝缘子表面受潮，使表面绝缘电阻下降；绝缘子设计不合理绝缘子选用不当环境气压过低电容器击穿、开路、引线断裂、绝缘子裂开等使电容器完全失去工作力量的失效属致 命性失效，其余一些失效会使电容不能满意使用要求，并渐渐向致命失效过渡；电容器在 工作应力与环境应力综合作用下，工作一段时间后，会分别或同时产生某些失效模式。同 一失效模式有多种失效机理，同一失效机理又可产生多种失效模式。失效模式与

14、失效机理 之间的关系不是对应的。3.2电容器失效机理分析3.2.1 潮湿对电参数恶化的影响空气中湿度过高时，水膜分散在电容器外壳表面，可使电容器的表面绝缘电阻下降。 此处，对于半密封结构电容器来说，水分还可渗透到电容器介质内部，使电容器介质的绝 缘电阻绝缘力量下降。因此，高温、高湿环境对电容器参数恶化的影响极为显著。经烘干 去湿后电容器的电性能可获改善，但是水分子电解的后果是无法根除的。例如：电容器工 作于高温条件下，水分子在电场作用下电解为氢离子（H+ ）和氢氧根离子（0H-）,引线 根部产生电化学腐蚀。即使烘干去湿，也不行能引线复原。3.2.2 银离子迁移的后果无机介质电容多半采纳银电极，

15、半密封电容器在高温条件下工作时，渗入电容器内部 的水分子产生电解。在阳极产生氧化反应，银离子与氢氧根离子结合生成氢氧化银。在阴 极产生还原反应、氢氧化银与氢离子反应生成银和水。由于电极反应，阳极的银离子不断 向阴极还原成不连续金属银粒，靠水膜连接成树状向阳极延长。银离子迁移不仅发生在无 机介质表面，银离子还能集中到无机介质内部，引起漏电流增大，严峻时可使两个银电极 之间完全短路，导致电容器击穿。银离子迁移可严峻破坏正电极表面银层，引线焊点与电 极表面银层之间，间隔着具有半导体性质的氧化银，使无机介质电容器的等效串联电阻增 大，金属部分损耗增加，电容器的损耗角正切值显著提升。由于正电极有效面积减

16、小，电 容器的电容量会因此而下降。表面绝缘电阻则因无机介质电容器两电极间介质表面上存在 氧化银半导体而降低。银离子迁移严峻时，两电极间搭起树枝状的银桥，使电容器的绝缘 电阻大幅度下降。综上所述，银离子迁移不仅会使非密封无机介质电容器电性能恶化，而 且可能引起介质击穿场强下降，最终导致电容器击穿。值得一提的是：银电极低频陶瓷独 石电容器由于银离子迁移而引起失效的现象比其他类型的陶瓷介质电容器严峻得多，缘由 在于这种电容器的一次烧成工艺与多层叠片结构。银电极与陶瓷介质一次烧结过程中，银 参加了陶瓷介质表面的固相反应，渗入了瓷-银接触处形成界面层。假如陶瓷介质不够致密, 水分渗入后，银离子迁移不仅可

17、以在陶瓷介质表面发生，还可能穿透陶瓷介质层。多层叠 片结构的缝隙较多，电极位置不易精确，介质表面的留边量小，叠片层两端涂覆外电极时 银浆渗入缝隙，降低了介质表面的绝缘电阻，并使电极之间的路径缩短，银离子迁移时简 单产生短路现象。3.2.3 高湿度条件下陶瓷电容器击穿机理半密封陶瓷电容器在高湿度环境条件下工作时，发生击穿失效是比较普遍的严峻问题。 所发生的击穿现象大约可以分为介质击穿和表面极间飞弧击穿两类。介质击穿按发生时间 的早晚又可分为早期击穿与老化击穿两种。早期击穿暴露了电容介质材料与生产工艺方面 存在的缺陷，这些缺陷导致陶瓷介质电强度显著降低，以致于在高湿度环境中电场作用下, 电容器在耐

18、压试验过程中或工作初期，就产生电击穿。老化击穿大多属于电化学击穿范畴。 由于陶瓷电容器银的迁移，陶瓷电容器的电解老化击穿已成为相当普遍的问题。银迁移形 成的导电树枝状物，使漏电流局部增大，可引起热击穿，使电容器断裂或烧毁。热击穿现 象多发生在管形或圆片形的小型瓷介电容器中，由于击穿时局部发热厉害，较薄的管壁或 较小的瓷体简单烧毁或断裂。此外，以二氧化钛为主的陶瓷介质中，负荷条件下还可能产 生二氧化钛的还原反应，使钛离子由四价变为三价。陶瓷介质的老化显著降低了电容器的 介电强度，可能引起电容器击穿。因此，这种陶瓷电容器的电解击穿现象比不含二氧化钛 的陶瓷介质电容器更加严峻。银离子迁移使电容器极间

19、边缘电场发生严峻畸变，又因高湿 度环境中陶瓷介质表面凝有水膜，使电容边缘表面电晕放电电压显著下降，工作条件下产 生表面极间飞弧现象。严峻时导致电容器表面极间飞弧击穿。表面击穿与电容结构、极间 距离、负荷电压、爱护层的疏水性与透湿性等因素有关。主要就是边缘表面极间飞弧击穿, 缘由是介质留边量较小，在潮湿环境中工作时银离子迁移和表面水膜形成使电容器边缘表 面绝缘电阻显著下降，引起电晕放电，最终导致击穿。高湿度环境中尤其严峻。由于银离 子迁移的产生与进展需要一段时间，所以在耐压试验初期，失效模式以介质击穿为主，直 到试验500h以后，主要失效模式才过渡为边缘表面极间飞弧击穿。3.2.4 高频精密电容

20、器的低电平失效机理云母是一种较抱负的电容器介质材料，具有很高的绝缘性能，耐高温，介质损耗小， 厚度可薄达25微米。云母电容器的主要优点是损耗小，频率稳定性好、分布电感小、绝 缘电阻大，特殊适合在高频通信电路中用做精密电容器。但是，云母资源有限，难于推广 使用。近数十年内，有机薄膜电容器获得快速进展，其中聚苯乙烯薄膜电容器具有损耗小、 绝缘电阻大、稳定性好、介质强度高等优点。精密聚苯乙嫡电容器可代替云母电容器用于 高频电路。需要说明的是：应用于高频电路中的精密聚苯乙熔电容器，一般采纳金属箔极 板，以提高绝缘电阻与降低损耗。电容器的低电平失效是20世纪60年月以来消失的新问题。低电平失效是指电容器

21、在 低电压工作条件下消失的电容器开路或容量下降超差等失效现象。60年月以来半导体器件 广泛应用，半导体电路电压比电子管电路低得多，使电容器的实际工作电压在某些电路中 仅为几毫伏，引起电容器低电平失效，详细表现是电容器完全丢失电容量或部分丢失电容 量。对于低电平冲击，使电容器的电容量恢复正常。产生低电平失效的缘由主要在于电容 器引出线与电容器极板接触不良，接触电阻增大，造成电容器完全开路或电容量幅度下降。精密聚苯乙熔薄膜电容器一般采纳铝箔作为极板，铜引出线与铝箔极板点焊在一起。 铝箔在空气中极易氧化；极板表面生成一层氧化铝半导体薄膜，在低电平条件下氧化膜层 上的电压不足以把它击穿，因而铝箔间形成

22、的间隙电容量的串联等效容量，间隙电容量愈 小，串联等效容量也愈小。因此，低电平容量取决于极板表面氧化铝层的厚薄，氧化铝层 愈厚，低电平条件下电容器的电容量愈小。此外，电容器在沟通电路中工作时，其有效电 容量会因接触电阻过大而下降，接触电阻很大时有效电容量可减小到开路的程度。即使极 板一引线间不存在导电不良的间隔层，也会产生这种后果。引起精密聚苯乙烯电容器低电 平失效的详细因素归纳如下：引线表面氧化或沾层太薄，以致焊接不牢;引线与铝箔点焊接不良，没有消退铝箔表面点焊处的氧化铝膜层；单引线结构的焊点数过少，使消失低电平失效的概率增大；粗引线根部打扁部分接触面积虽然较大，但点焊后焊点处应力也较大，热处理或温 循过程中，可能损伤接触部位，恶化接触状况；潮气进入电容器芯子，氧化腐蚀焊点，使接触电阻增大。引起云母电容器低电平失效的详细因素归纳如下：银电极和引出铜箔之间以及铜箔和引线卡之间存在一层很薄的地腊薄膜。低电平条 件下，外加电压不足以击穿这层绝缘膜，产生间隙电容，并使接触电阻增大；银电极和铜箔受到有害气体侵蚀，使接触电阻增大。在潮湿的硫气环境中银和铜简 单硫化，使极板与引线间的接触电阻提升。3.2.5 金属化纸介电容失效机理金属化纸介电容器的极板是真空蒸发在电容器纸表面的金属膜A、电参数恶化失效自愈”是金属化电容器的一个独特优点，但自愈过程颇为简单，自愈虽能避开电容