電容器失效模式和失效機理.doc

電容器失效模式和失效機理 電容器的常見失效模式有:擊穿、開路、電參數(shù)變化包括電容量超差、損耗角正切值增大、絕緣性能下降或漏電流上下班升等、漏液、引線腐蝕或斷裂、絕緣子破裂或表面飛弧等.引起電容器失效的原因是多種多樣的.各類電容器的材料、結構、制造工藝、性能和使用環(huán)境各不相同失效機理也各不一樣. 各種常見失效模式的主要產(chǎn)生機理歸納如下. 1、常見的七種失效模式 1 引起電容器擊穿的主要失效機理 電介質(zhì)材料有疵點或缺陷或含有導電雜質(zhì)或?qū)щ娏Ｗ?電介質(zhì)的電老化與熱老化 電介質(zhì)內(nèi)部的電化學反應 銀離子遷移 電介質(zhì)在電容器制造過程中受到機械損傷 電介質(zhì)分子結構改變 在高濕度或低氣壓環(huán)境中極間飛弧 在機械應力作用下電介質(zhì)瞬時短路. 2 引起電容器開路的主要失效機理 引線部位發(fā)生“自愈“使電極與引出線絕緣 引出線與電極接觸表面氧化造成低電平開路 引出線與電極接觸不良 電解電容器陽極引出箔腐蝕斷裂 液體工作臺電解質(zhì)干涸或凍結 機械應力作用下電介質(zhì)瞬時開路. 3 引起電容器電參數(shù)惡化的主要失效機理 受潮或表面污染 銀離子遷移 自愈效應 電介質(zhì)電老化與熱老化 工作電解液揮發(fā)和變稠 電極腐蝕 濕式電解電容器中電介質(zhì)腐蝕 雜質(zhì)與有害離子的作用 引出線和電極的接觸電阻增大. 4 引起電容器漏液的主要原因 電場作用下浸漬料分解放氣使殼內(nèi)氣壓一升 電容器金屬外殼與密封蓋焊接不佳 絕緣了與外殼或引線焊接不佳 半密封電容器機械密封不良 半密封電容器引線表面不夠光潔 工作電解液腐蝕焊點. 5 引起電容器引線腐蝕或斷裂的主要原因 高溫度環(huán)境中電場作用下產(chǎn)生電化學腐蝕 電解液沿引線滲漏使引線遭受化學腐蝕 引線在電容器制造過程中受到機械損傷 引線的機械強度不夠. 6 引起電容器絕緣子破裂的主要原因 機械損傷 玻璃粉絕緣子燒結過程中殘留熱力過大 焊接溫度過高或受熱不均勻. 7 引起絕緣子表面飛弧的主要原因 絕緣了表面受潮使表面絕緣電阻下降 絕緣了設計不合理 絕緣了選用不當 環(huán)境氣壓過低. 電容器擊穿、開路、引線斷裂、絕緣了破裂等使電容器完全失去工作能力的失效屬致命性失效其余一些失效會使電容不能滿足使用要求并逐漸向致命失效過渡 電容器在工作應力與環(huán)境應力綜合作用下工作一段時間后會分別或同時產(chǎn)生某些失效模式.同一失效模式有多種失效機理同一失效機理又可產(chǎn)生多種失效模式.失效模式與失效機理之間的關系不是一一對應的. 2、電容器失效機理分析 1、潮濕對電參數(shù)惡化的影響 空氣中濕度過高時水膜凝聚在電容器外殼表面可使電容器的表面絕緣電阻下降.此處對于半密封結構電容器來說水分還可滲透到電容器介質(zhì)內(nèi)部使電容器介質(zhì)的絕緣電阻絕緣能力下降.因此高溫、高濕環(huán)境對電容器參數(shù)惡化的影響極為顯著.經(jīng)烘干去濕后電容器的電性能可獲改善但是水分子電解的后果是無法根除的.例如:電容器工作于高溫條件下水分子在電場作用下電解為氫離子h和氫氧根離子oh-引線根部產(chǎn)生電化學腐蝕.即使烘干去濕也不可能引線復原. 2、銀離子遷移的后果 無機介質(zhì)電容器多半采用銀電極半密封電容器在高溫條件下工作時滲入電容器內(nèi)部的水分子產(chǎn)生電解.在陽極產(chǎn)生氧化反應銀離子與氫氧根離子結合生成氫氧化銀.在陰極產(chǎn)生還原反應、氫氧化銀與氫離子反應生成銀和水.由于電極反應陽極的銀離子不斷向陰極還原成不連續(xù)金屬銀粒靠水膜連接成樹狀向陽極延伸.銀離子遷移不僅發(fā)生在無機介質(zhì)表面銀離子還能擴散到無機介質(zhì)內(nèi)部引起漏電流增大嚴重時可使兩個銀電極之間完全短路導致電容器擊穿. 銀離子遷移可嚴重破壞正電極表面銀層引線焊點與電極表面銀層之間間隔著具有半導體性質(zhì)的氧化銀使無機介質(zhì)電容器的等效串聯(lián)電阻增大金屬部分損耗增加電容器的損耗角正切值顯著上升. 由于正電極有效面積減小電容器的電容量會因此而下降.表面絕緣電阻則因無機介質(zhì)電容器兩電極間介質(zhì)表面上存在氧化銀半導體而降低.銀離子遷移嚴重時兩電極間搭起樹枝狀的銀橋使電容器的絕緣電阻大幅度下降. 綜上所述銀離子遷移不僅會使非密封無機介質(zhì)電容器電性能惡化而且可能引起介質(zhì)擊穿場強下降最后導致電容器擊穿. 值得一提的是:銀電極低頻陶瓷獨石電容器由于銀離子遷移而引起失效的現(xiàn)象比其他類型的陶瓷介質(zhì)電容器嚴重得多原因在于這種電容器的一次燒成工藝與多層疊片結構.銀電極與陶瓷介質(zhì)一次燒也過程中銀參與了陶瓷介質(zhì)表面的固相反應滲入了瓷-銀接觸處形成界面層.如果陶瓷介質(zhì)不夠致密則水分滲入后銀離子遷移不僅可以在陶瓷介質(zhì)表面發(fā)生還可能穿透陶瓷介質(zhì)層.多層疊片結構的縫隙較多電極位置不易精確介質(zhì)表面的留邊量小疊片層兩端涂覆外電極時銀漿滲入縫隙降低了介質(zhì)表面的絕緣電阻并使電極之間的路徑縮短銀離子遷移時容易產(chǎn)生短路現(xiàn)象. 3、高濕度條件下陶瓷電容器擊穿機理 半密封陶瓷電容器在高濕度環(huán)境條件下工作時發(fā)生擊穿失效是比較普遍的嚴重問題.所發(fā)生的擊穿現(xiàn)象大約可以分為介質(zhì)擊穿和表面極間飛弧擊穿兩類.介質(zhì)擊穿按發(fā)生時間的早晚又可分為早期擊穿與老化擊穿兩種.早期擊穿暴露了電容介質(zhì)材料與生產(chǎn)工藝方面存在的缺陷這些缺陷導致陶瓷介質(zhì)電強度顯著降低以致于在高濕度環(huán)境中電場作用下電容器在耐壓試驗過程中或工作初期就產(chǎn)生電擊穿.老化擊穿大多屬于電化學擊穿范疇.由于陶瓷電容器銀的遷移陶瓷電容器的電解老化擊穿已成為相當普遍的問題.銀遷移形成的導電樹枝狀物使漏電流局部增大可引起熱擊穿使電容器斷裂或燒毀.熱擊穿現(xiàn)象多發(fā)生在管形或圓片形的小型瓷介電容器中因為擊穿時局部發(fā)熱厲害較薄的管壁或較小的瓷體容易燒毀或斷裂. 此外以二氧化鈦為主的陶瓷介質(zhì)中負荷條件下還可能產(chǎn)生二氧化鈦的還原反應使鈦離子由四價變?yōu)槿齼r.陶瓷介質(zhì)的老化顯著降低了電容器的介電強度可能引起電容器擊穿.因此這種陶瓷電容器的電解擊穿現(xiàn)象比不含二氧化鈦的陶瓷介質(zhì)電容器更加嚴重. 銀離子遷移使電容器極間邊緣電場發(fā)生嚴重畸變又因高濕度環(huán)境中陶瓷介質(zhì)表面凝有水膜使電容邊緣表面電暈放電電壓顯著下降工作條件下產(chǎn)生表面極間飛弧現(xiàn)象.嚴重時導致電容器表面極間飛弧擊穿.表面擊穿與電容結構、極間距離、負荷電壓、保護層的疏水性與透濕性等因素有關.主要就是邊緣表面極間飛弧擊穿原因是介質(zhì)留邊量較小在潮濕環(huán)境中工作時銀離子遷移和表面水膜形成使電容器邊緣表面絕緣電阻顯著下降引起電暈放電最終導致?lián)舸?高濕度環(huán)境中尤其嚴重.由于銀離子遷移的產(chǎn)生與發(fā)展需要一段時間所以在耐壓試驗初期失效模式以介質(zhì)擊穿為主直到試驗500h以后主要失效模式才過渡為邊緣表面極間飛弧擊穿. 4、高頻精密電容器的低電平失效機理 云母是一種較理想的電容器介質(zhì)材料具有很高的絕緣性能耐高溫介質(zhì)損耗小厚度可薄達25微米.云母電容器的主要優(yōu)點是損耗小頻率穩(wěn)定性好、分布電感小、絕緣電阻大特別適合在高頻通信電路中用做精密電容器.但是云母資源有限難于推廣使用.近數(shù)十年內(nèi)有機薄膜電容器獲得迅速發(fā)展其中聚苯乙烯薄膜電容器具有損耗小、絕緣電阻大、穩(wěn)定性好、介質(zhì)強度高等優(yōu)點.精密聚苯乙烯電容器可代替云母電容器用于高頻電路.需要說明的是:應用于高頻電路中的精密聚苯乙烯電容器一般采用金屬箔極板以提高絕緣電阻與降低損耗. 電容器的低電平失效是20世紀60年代以來出現(xiàn)的新問題.低電平失效是指電容器在低電壓工作條件下出現(xiàn)的電容器開路或容量下降超差等失效現(xiàn)象.60年代以來半導體器件廣泛應用半導體電路電壓比電子管電路低得多使電容器的實際工作電壓在某些電路中僅為幾毫伏引起電容器低電平失效具體表現(xiàn)是電容器完全喪失電容量或部分喪失電容量.對于低電平?jīng)_擊使電容器的電容量恢復正常. 產(chǎn)生低電平失效的原因主要在于電容器引出線與電容器極板接觸不良接觸電阻增大造成電容器完全開路或電容量幅度下降. 精密聚苯乙烯薄膜電容器一般采用鋁箔作為極板銅引出線與鋁箔極板點焊在一起.鋁箔在空氣中極易氧化極板表面生成一層氧化鋁半導體薄膜在低電平條件下氧化膜層上的電壓不足以把它擊穿因而鋁箔間形成的間隙電容量的串聯(lián)等效容量間隙電容量愈小串聯(lián)等效容量也愈小.因此低電平容量取決于極板表面氧化鋁層的厚薄氧化鋁層愈厚低電平條件下電容器的電容量愈小.此外電容器在交流電路中工作時其有效電容量會因接觸電阻過大而下降接觸電阻很大時有效電容量可減小到開路的程度.即使極板一引線間不存在導電不良的間隔層也會產(chǎn)生這種后果. 引起精密聚苯乙烯電容器低電平失效的具體因素歸納如下: 引線表面氧化或沾層太薄以致焊接不牢 引線與鋁箔點焊接不良沒有消除鋁箔表面點焊處的氧化鋁膜層 單引線結構的焊點數(shù)過少使出現(xiàn)低電平失效的概率增大 粗引線根部打扁部分接觸面積雖然較大但點焊后焊點處應力也較大熱處理或溫循過程中可能損傷接觸部位惡化接觸情況 潮氣進入電容器芯子氧化腐蝕焊點使接觸電阻增大. 引起云母電容器低電平失效的具體因素歸納如下: 銀電極和引出銅箔之間以及銅箔和引線卡之間存在一層很薄的地臘薄膜.低電平條件下外加電壓不足以擊穿這層絕緣膜產(chǎn)生間隙電容并使接觸電阻增大 銀電極和銅箔受到有害氣體侵蝕使接觸電阻增大.在潮濕的硫氣環(huán)境中銀和銅容易硫化使極板與引線間的接觸電阻上升. 5、金屬化紙介電容失效機理 金屬化紙介電容器的極板是真空蒸發(fā)在電容器紙表面的金屬膜 a、電參數(shù)惡化失效 “自愈”是金屬化電容器的一個獨特優(yōu)點但自愈過程頗為復雜自愈雖能避免電容器立即因介質(zhì)短路而擊穿但自愈部位肯定會出現(xiàn)金屬微粒遷移與介質(zhì)材料受熱裂解的現(xiàn)象.電容器紙由纖維組成纖維素是碳水化合物類的高分子物質(zhì).在高溫下電容器纖維素解成游離狀態(tài)的碳原子或碳離子使自愈部位表面導電能力增加導致電容器電阻下降、損耗增大與電容減小.嚴重時可使電容器因電參數(shù)惡化程度超過技術條件許可范圍而失效. 金屬化紙介電容器在低于額定工作電壓的條件下工作時自愈能量不足電容器紙中存在的導電雜質(zhì)在電場作用于下形成低阻通路也可導致電容器絕緣電阻降低和損耗增大. 電容器紙是多孔性的極性有機介質(zhì)材料極易吸收潮氣.電容器芯子雖浸漬處理但如果工藝不當或浸漬不純或在電場作用下工作相當時間后產(chǎn)生浸漬老化現(xiàn)象則電容器的絕緣電阻將因此降低損耗也將因此增大. 電容量超差失效產(chǎn)金屬化紙介電容器的一種失效形式.在高溫條件下儲存時金屬化紙介電容器可能因電容量增加過多而失效在高溫條件下加電壓工作時又可能因電容量減少過多而失效.高溫儲存時半密封型金屬化紙介電容器免不了吸潮水是強極性物質(zhì)其介電常數(shù)接近浸漬電容器介電常數(shù)的20倍.因此少量潮氣侵入電容器芯子也會引起電容量顯著增大.烘烤去濕后電容呈會有所下降.如果電容器在高溫環(huán)境中工作則水分和電場的共同作用會使金屬膜電極產(chǎn)生電解性腐蝕使極板有效面積減小與極板電阻增大導致電容量大幅度下降.如果引線與金屬膜層接觸部位產(chǎn)生腐蝕則接觸電阻增大電容器的有效電容量將更進一步減小.個別電容器的電容量可降到接近于開路的程度. b、引線斷裂失效 金屬化紙介電容器在高濕環(huán)境中工作時電容器正端引線根部會遭到嚴重腐蝕這種電解性腐蝕導致引線機械強度降低嚴重時可造成引線斷裂失效. 6、鋁電解電容器的失效機理 鋁電解電容器正極是高純鋁電介質(zhì)是在金屬表面形成的三氧化二鋁膜負極是黏稠狀的電解液工作時相當一個電解槽.鋁電解電容器常見失效模式有:漏液、爆炸、開路、擊穿、電參數(shù)惡化等有關失效機理分析如下. a、漏液 鋁電解電容器的工作電解液泄漏是一個嚴重問題.工作電解液略呈現(xiàn)酸性漏出的工作電解液嚴重污染和腐蝕電容器周圍的其他元器件和印刷電路板.同時電解電容器內(nèi)部由于漏液而使工作電解液逐漸干涸喪失修補陽極氧化膜介質(zhì)的能力導致電容器擊穿或電參數(shù)惡化而失效. 產(chǎn)生漏液的原因很多主要是鋁電解電容器密封不佳.采用鋁負極箔夾在外殼邊與封口板之間的封口結構時很容易在殼邊滲漏電解液.采用橡膠塞密封的電容器也可能因橡膠老化、龜裂而引起漏液.此外機械密封工藝有問題的產(chǎn)品也容易漏液.總之漏液與密封結構、密封材料與密封工藝有密切的關系. b、爆炸 鋁電解電容器在工作電壓中交流成分過大或氧化膜介質(zhì)有較多缺陷或存在氯根、硫酸根之類有害的陰離子以致漏電流較大時電解作用產(chǎn)生氣體的速率較快大部分氣體用于修補陽極氧化膜少部分氧氣儲存在電容器殼內(nèi).工作時間愈長漏電流愈大殼內(nèi)氣體愈多溫度愈高.電容器金屬殼內(nèi)外的氣壓差值將隨工作電壓和工作時間的增加而增大.如果產(chǎn)品密封不佳則將造成漏液如果密封良好又沒有任何防爆措施則氣壓增大到一定程度就會引起電容器爆炸.高壓大容量電容器的漏電流較大爆炸可能性更大.目前已普遍采用防爆外殼結構在金屬外殼上部增加一道褶縫氣壓高時將褶縫頂開增大殼內(nèi)容積從而降低氣壓減少爆炸危險. c、開路 鋁電解電容器在高溫或潮熱環(huán)境中長期工作時可能出現(xiàn)開路失效其原因在于陽極引出箔片遭受電化學腐蝕而斷裂.對于高壓大容量電容器這種失效模式較多.此外陽極引出箔片和陽極箔鉚接后未經(jīng)充分平則接觸不良會使電容器出現(xiàn)間歇開路. 鋁電解電容器內(nèi)采用以dmf二甲基酰胺為溶劑的工作電解液時dmf溶液是氧化劑在高溫下氧化能力更強.工作一段時間后可能因陽極引出箔片與焊片的鉚接部位生成氧化膜而引起電容器開路.如果采用超聲波焊接機把引出箔片與焊點在一起可則減少這類失效現(xiàn)象. d、擊穿 鋁電解電容器擊穿是由于陽極氧化鋁介質(zhì)膜破裂導致電解液直接與陽極接觸而造成的.氧化鋁膜可能因各種材料工藝或環(huán)境條件方面的原因而受到局部損傷.在外加電場的作用下工作電解液提供的氧離子可在損傷部位重新形成氧化膜使陽極氧化膜得以填平修復.但是如果在損傷部位存在雜質(zhì)離子或其他缺陷使填平修復工作無法完善則在陽極氧化膜上會留下微孔甚至可能成為穿透孔使鋁電解電容器擊穿. 此外隨著使用和儲存時間的增長電解液中溶劑逐漸消耗和揮發(fā)使溶液酸值上升在儲存過程中對氧化膜層發(fā)生腐蝕作用.同時由于電解液老化與干涸在電場作用下已無法提供氧離子修補氧化膜從而喪失了自愈作用氧化膜一經(jīng)損壞就會導致電容器擊穿.工藝缺陷也是鋁電解電容器擊穿的一個主要原因.如果賦能過程中形成的陽極氧化膜不夠致密與牢固在后續(xù)的裁片、鉚接工藝中又使氧化膜受到嚴重損傷.這種陽極氧化膜難以在最后的老煉工序中修補完善以致電容器使用過程中漏電流很大局部自愈已挽救不了最終擊穿的命運.又如鉚接工藝不佳時引出箔條上的毛剌嚴重剌傷氧化膜刺傷部位漏電流很大局部過熱使電容器產(chǎn)生熱擊穿. e、電參數(shù)惡化 a、電容量下降與損耗增大 鋁電解電容器的電容量在工作早期緩慢下降這是由于負荷過程中工作電解液不斷修補并增厚陽極氧化膜所致.鋁電解電容器在使用后期由于電解液耗損較多、溶液變稠電阻率因黏度增大而上升使工作電解質(zhì)的等效串聯(lián)電阻增大導致電容器損耗明顯增大.同時黏度增大的電解液難于充分接觸經(jīng)腐蝕處理的凹凸不平鋁箔表面上的氧化膜層這樣就使鋁電解電容器的極板有效面積減小引起電容量急劇下降.這也是電容器使用壽命臨近結束的表現(xiàn). 此外如果工作電解液在低溫下黏度增大過多也會造成損耗增大與電容量急劇下降的后果.硼酸一乙二醇系統(tǒng)工作電解液的低溫性能不佳黏度過大導致等效串聯(lián)電阻激增使損耗變大和有效電容量驟減從而引起鋁電解電容器在嚴寒環(huán)境中使用時失效. b、漏電流增加 漏電流增加往往導致鋁電解電容器失效.賦能工藝水平低所形成的氧化膜不夠致密與牢固開片工藝落后氧化膜損傷與沾污嚴重工作電解液配方不佳原材料純度不高電解液的化學性質(zhì)與電化學性質(zhì)難以長期穩(wěn)定鋁箔純度不高雜質(zhì)含量多?這些因素均可能造成漏電流超差失效. 鋁電解電容器中氯離子沾污嚴重漏電流導致沾污部位氧化膜分解造成穿孔促使電流進一步增大.此外鋁箔的雜質(zhì)含量較高一般鐵雜質(zhì)顆粒的尺寸大于陽極氧化膜的厚度使電流易于傳導.銅與硅雜質(zhì)的存在影響鋁氧化物向晶態(tài)結構轉(zhuǎn)變.銅和鋁還可在電解質(zhì)內(nèi)組成微電池使鋁箔遭到腐蝕破壞.總之鋁箔中金屬雜質(zhì)的存在會使鋁電解電容器漏電流增大從而縮短電容器的壽命. 3、提高電容器可靠性的措施 對材料、結構和制造工藝進行改進說明. 1、電極材料的改進 陶瓷電容器一直使用銀電極.銀離子遷移和由此而引起含鈦陶瓷介質(zhì)的加速老化是導致陶瓷電容器失效的主要原因.有的廠家生產(chǎn)陶瓷電容器已不用銀電極而改用鎳電極在陶瓷基片上采用化學鍍鎳工藝.由于鎳的化學穩(wěn)定性比銀好電遷移率低提高了陶瓷電容器的性能和可靠性. 國產(chǎn)云母電容器的電極材料也是銀同樣存在銀離子遷移現(xiàn)象.日本海纜通信系統(tǒng)中用的云母器它的電極材料及電極引線間的連接均采用金這就保證了云母電容器優(yōu)良的性能和高可靠性. 鍍金云母電容器與鍍銀云母電容器相比較:電容溫度系數(shù)前者約為后者的1/2且偏差也小濕度對容量的影響前者比后者小一個數(shù)量級且是可逆的損耗角正切值前者比后者小個數(shù)量級在電壓負荷下電容量相對變化率前者約為后者的1/51/10.據(jù)推算鍍金云母電容器工作20年的電容量變化率0.1. 改進電極材料的另一個例子是金屬化紙介電容器.金屬化紙介電容器都采用鋅蒸發(fā)在電容器紙上形成的金屬層作為電極.鋅膜在空氣中易氧化生成半導體性質(zhì)的氧化鋅而且會繼續(xù)向底層氧化造成板極電阻的增加和電容器損耗的增大.此外鋅金屬化膜在潮濕環(huán)境下易腐蝕.鋅金屬化膜的另一個缺點是自愈所需要的能量較大而且電容器經(jīng)擊穿自愈后其絕緣電阻值較低.為了提高金屬化紙介電容器的性能和可靠性已用鋁金屬化層來代替鋅金屬化層.大氣中在鋁膜的表面會生成一層薄而堅固的氧化氯膜.使鋁膜不再繼續(xù)氧化.同時氧化氯膜對潮氣抗腐蝕性能好.另外鋁金屬化層自愈性能好鋁電極可以在介質(zhì)上殘存的微量潮氣和低電壓作用下產(chǎn)生電化學反應生成氧化鋁介質(zhì)膜經(jīng)過一段時間電容器的絕緣電阻得到恢復.此外鋁的比電導較鋅大這就減小了板極電阻和電容器的損耗.因此鋁在金屬化電容器的生產(chǎn)中取代鋅做電極改善了電容器的性能提高了電容器的可靠性. 2、工作電解質(zhì)的改進 鋁電解電容器工作電解質(zhì)為硼酸一乙醇系統(tǒng)