今天給大家分享的是陶瓷電容失效模式及機理分析。

陶瓷電容是一種定值電容，其中電介質(zhì)由陶瓷材料制成。

陶瓷電容由兩個(gè)或多個(gè)交替的陶瓷層和一個(gè)金屬電極層組成，陶瓷材料的電性能和應用由其成分決定。

但是當陶瓷電容出現故障時(shí)，又是什么原因？

這里從兩個(gè)方面進(jìn)行分析：

• 1、陶瓷電容失效模式

• 2、陶瓷電容失效機理分析

一、陶瓷電容器失效模式

陶瓷電容耐壓的典型故障模式有以下三種：

1、第一種方式：電極邊緣陶瓷穿透（擊穿點(diǎn)在銀面邊緣）

（1）可能的原因：

• 粉劑及其配方問(wèn)題

• 平邊致密性差

電極邊緣陶瓷穿透

（2）過(guò)程中失效模式的具體表現 ：

• 銀邊邊緣的針孔

• 銀面邊緣有針孔，該位置部分陶瓷爆裂。

• 裂紋（先是針孔，后是裂紋，元件表面有燒蝕和碳化的小黑點(diǎn) ，裂紋是新的痕跡。）

（3）具體措施：

及時(shí)向前端流程反饋信息，要求其改進(jìn)和提高地面的整體抗壓水平 。

2、第二種方式：陶瓷芯片沿邊導電或陶瓷芯片邊沿斷裂損壞（擊穿點(diǎn)在元件一側）

陶瓷芯片沿邊導電或陶瓷芯片邊沿斷裂損壞

（1）可能的原因：

• 素地表面有污漬，如銀、助焊劑、油、 焊渣等。

•  油漆中有導電雜質(zhì)

• 油漆中有氣泡

• 涂料密度差

• 涂層包封層固化不充分

（2）過(guò)程中失效模式的具體表現 ：

• 十字弧

•  收起

• 側爆

（3）具體的應對措施：

• 元素外觀(guān)（擴散、側銀）控制；

• 通量水平適度控制，瓷磚浸入深度控制；

• 及時(shí)徹底清理錫槽內的錫渣等雜質(zhì)；

• 涂層絕緣質(zhì)量證明書(shū)；

• 涂層封裝和固化過(guò)程的質(zhì)量保證 。

3、第三種方式：電極中的陶瓷芯片被擊穿（擊穿點(diǎn)在元件中心（銀面）及其周?chē)恢茫?/span>

（1）可能的原因：

• 密實(shí)度很差

• 有裂紋、氣泡、導電雜質(zhì)等。

（2）過(guò)程中失效模式的具體表現 ：

• 元件中心及其周?chē)尼樋?/span>

• 元件中心及其周邊有針孔。與此同時(shí)，這個(gè)位置的一些陶瓷爆裂。

• 裂紋（先針孔后裂紋，元件表面有燒蝕和碳化的小黑點(diǎn)，裂紋為新的痕跡。

（3）具體應對措施：

• 元素外觀(guān)（擴散、側銀）控制；

• 通量水平適度控制，瓷磚浸入 深度控制；

• 及時(shí)徹底清理錫槽內的錫渣等雜質(zhì)；

• 涂層絕緣質(zhì)量證明書(shū)；

• 涂層封裝 和固化過(guò)程的質(zhì)量保證 。

電極中的陶瓷芯片被擊穿

二、陶瓷電容失效的 7 個(gè)原因

1、濕度對電氣參數劣化的影響

當空氣中的濕度過(guò)高時(shí)， 水膜會(huì )凝結在陶瓷電容外殼表面，降低陶瓷電容的表面絕緣電阻 。濕氣還會(huì )滲入半密封電容中的電容介質(zhì) ，降低電容介質(zhì)的絕緣電阻和絕緣能力。

高溫、高濕環(huán)境對陶瓷電容特性 劣化的影響是巨大的。

干燥除濕后電容的電性能增強，但水分子電解的反響無(wú)法消除。例如，電容在高溫下工作， 水分子被電場(chǎng)電解成氫離子（H+）和氫氧根離子（OH-），導致鉛根部發(fā)生電化學(xué)腐蝕。即使干燥除濕，引線(xiàn)也無(wú)法恢復。

2、 銀離子遷移的后果

大多數無(wú)機介電陶瓷電容都使用銀電極。當半密封電容暴露在高溫下時(shí)， 滲透電容的水分子會(huì )引起電解。

陽(yáng)極發(fā)生氧化反應，銀離子與氫氧根離子相互作用生成氫氧化銀；陰極發(fā)生還原反應，其中氫氧化銀與氫離子反應生成銀和水。

陽(yáng)極的銀離子通過(guò)電極反應不斷還原到陰極，形成不連續的金屬銀顆粒，通過(guò)水層連接，呈樹(shù)狀延伸到陽(yáng)極。

銀離子不僅在無(wú)機介質(zhì)表面遷移，而且向內部擴散，增加了漏電流。 在極端情況下，可以使用兩個(gè)銀電極之間的完全短路 ，從而導致陶瓷電容失效。

離子遷移會(huì )嚴重損壞正極表面的銀層 。

在引線(xiàn)焊點(diǎn)和電極表面的銀層之間有一種具有 半導體性質(zhì)的氧化銀，增加了非介質(zhì)電容的等效串聯(lián)電阻，增加了金屬元件的損耗，提高了電容器的性能，損失的正切值急劇增加。

陶瓷電容的電容隨著(zhù)正極有效面積的減小而減小。 在無(wú)機介電電容的兩個(gè)電極之間的介電體表面上存在 氧化銀半導體會(huì )降低表面絕緣電阻。當銀離子遷移嚴重時(shí)，兩個(gè)電極之間會(huì )形成樹(shù)枝狀銀橋，大大降低電容的絕緣電阻。

總而言之，銀離子遷移不僅會(huì )降低開(kāi)放式無(wú)機介電陶瓷電容的電性能，而且還可能導致介電擊穿場(chǎng)強度降低，從而導致陶瓷電容失效。

值得注意的是， 銀電極低頻陶瓷獨石電容由于銀離子遷移而比其他類(lèi)型的陶瓷介質(zhì)電容器 發(fā)生故障的頻率要高得多。

在銀電極與陶瓷介質(zhì)的初始燒結過(guò)程中，銀參與陶瓷介質(zhì)表面的固相反應， 并滲入陶瓷-銀觸點(diǎn)，產(chǎn)生界面層。

如果陶瓷介質(zhì)的密度不夠，銀離子不僅可以在陶瓷介質(zhì)的表面遷移，而且在水分滲透后可以穿過(guò)陶瓷介質(zhì)層。多層層壓結構有多個(gè)間隙，電極定位困難，介質(zhì)表面的邊緣數量有限。

當外電極覆蓋在疊層兩端時(shí)，銀漿滲入間隙，降低介質(zhì)表面的絕緣電阻，在電極之間形成間隙，當銀離子遷移時(shí)，通道變短，短路現象很常見(jiàn)。

3、陶瓷電容在高溫條件下的擊穿機理

當半密封陶瓷電容在高濕度環(huán)境中使用時(shí)，擊穿故障是一個(gè)常見(jiàn)的嚴重問(wèn)題。

發(fā)生的兩種類(lèi)型的擊穿是介電擊穿和表面電弧擊穿。根據發(fā)生的時(shí)間，介電擊穿可分為早期擊穿或老化擊穿。

早期故障揭示了陶瓷電容介電材料的缺陷和制造技術(shù)，由于這些缺陷，陶瓷電介質(zhì)的介電強度顯著(zhù)降低。

陶瓷電容在耐壓試驗期間或在運行初期，由于電場(chǎng)在高濕度環(huán)境中的作用，會(huì )發(fā)生電擊穿。電化學(xué)擊穿是最常見(jiàn)的老化擊穿類(lèi)型。由于陶瓷電容中銀的遷移，電解老化擊穿已成為一個(gè)相當普遍的問(wèn)題。

銀遷移產(chǎn)生的導電枝晶會(huì )局部增加漏電流，導致熱擊穿和陶瓷電容破裂或燒壞。

由于擊穿過(guò)程中局部發(fā)熱較高，而較薄的管壁或較小的陶瓷體容易燒毀或破裂，因此熱擊穿最常發(fā)生在管狀或圓盤(pán)狀微型陶瓷介電電容中。

此外，在主要由二氧化鈦構成的陶瓷介質(zhì)中 ， 二氧化鈦在應力環(huán)境下可能發(fā)生還原反應 ，導致鈦離子從四價(jià)轉變?yōu)槿齼r(jià)。

當陶瓷電介質(zhì)老化時(shí)，陶瓷電容的介電強度會(huì )大大降低，可能導陶瓷電容故障。因此，這些陶瓷電容的電解擊穿比不含 二氧化鈦的陶瓷介質(zhì)電容更嚴重。

銀離子的遷移使陶瓷電容電極間的電場(chǎng)發(fā)生畸變，并且由于高濕度環(huán)境下陶瓷介質(zhì)表面的冷凝水膜，陶瓷電容邊緣表面的電暈放電電壓急劇下降，導致表面電弧現象。

在極端情況下，銀離子的遷移會(huì )導致陶瓷電容表面電極之間的電弧擊穿。表面擊穿受電容結構、電極間距離、負載電壓、保護層疏水性和透濕性等參數的影響。

邊緣表面電極之間產(chǎn)生電弧的主要原因是電介質(zhì)中殘留的邊緣量很小， 離子遷移在潮濕環(huán)境中工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生表面水層，使陶瓷電容的邊緣表面絕緣。銀離子遷移的形成和發(fā)展需要一段時(shí)間 ，因此，耐壓試驗中的主要失效模式是介質(zhì)擊穿。

然而，經(jīng)過(guò) 500 小時(shí)的測試，唯一的故障模式是邊緣表面之間的過(guò)度電弧擊穿。

4、電極材料的改進(jìn)

銀電極長(cháng)期以來(lái)一直用于陶瓷電容。

陶瓷電容失效的主要原因是銀離子遷移和由此導致的含鈦陶瓷電介質(zhì)加速老化。

在陶瓷電容器的制造中，一些生產(chǎn)商已經(jīng)使用 鎳電極代替銀電極，并且在陶瓷基板上使用了化學(xué)鍍鎳。陶瓷電容的性能和可靠性得到提高，因為鎳的化學(xué)穩定性 優(yōu)于銀，并且電遷移率低。

例如，以銀為電極的單片低頻陶瓷介質(zhì)電容，由于銀電極與陶瓷材料在900℃下一次燒結，陶瓷材料無(wú)法獲得致密的陶瓷介質(zhì)，因此孔隙率較大，孔隙率大。

另外， 銀電極被廣泛使用，助溶劑氧化鋇會(huì )滲透到瓷體內部，依靠氧化鋇和銀在高溫下良好的滲透“互熔”能力，在電極和介質(zhì)內部產(chǎn)生熱擴散，產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的“瓷器”。吸收” 銀和氧化鋇進(jìn)入瓷體后，介質(zhì)的有效厚度大大降低，導致絕緣電阻和產(chǎn)品可靠性下降。

使用銀鈀電極代替一般含有氧化鋇的電極，材料配方中加入1%的5#玻璃料提高獨石電容的可靠性?？梢苑乐菇饘匐姌O在高溫首次燒結過(guò)程中熱遷移到陶瓷介電層，使陶瓷材料更快地燒結和致密化，提高產(chǎn)品的性能和耐用性。與原工藝和介質(zhì)材料相比，電容的可靠性提高了1~2個(gè)數量級。

5、疊層陶瓷電容的斷裂

斷裂是疊層陶瓷電容最普遍的失效模式，這是由電介質(zhì)的脆性決定的。

由于疊層陶瓷電容直接焊接在電路板上，因此會(huì )立即承受電路板的機械應力，而引線(xiàn)式陶瓷電容可能會(huì )通過(guò)引腳吸收機械應力。

因此，各種熱膨脹系數或電路板彎曲引起的機械應力將成為疊層陶瓷電容破裂的主要原因 。

6、疊層陶瓷電容的斷裂分析

一旦疊層陶瓷電容發(fā)生機械破裂，斷裂處的電極絕緣分離將小于擊穿電壓，導致兩個(gè)或多個(gè)電極之間發(fā)生電弧放電，導致疊層陶瓷電容完全失效。

盡量減少線(xiàn)路板的彎曲，減少陶瓷貼片電容對線(xiàn)路板的應力，減小疊層陶瓷電容與線(xiàn)路板的熱膨脹系數之差，機械應力是主要方法以防止疊層陶瓷電容的機械斷裂。

通過(guò)選擇小封裝尺寸的陶瓷電容 ，可以減少層壓陶瓷電容與電路板之間的熱膨脹系數差異引起的機械應力。

例如，鋁基電路板應采用盡可能小的封裝?？梢杂脦讉€(gè)并聯(lián)或疊片來(lái)解決，也可以用管腳封裝形式的陶瓷電容來(lái)解決。

7、疊層陶瓷電容的電極端子熔噴

波峰焊層疊陶瓷電容時(shí)， 電極端子可能會(huì )被焊錫熔化 。根本的解釋是波峰焊疊層陶瓷電容與高溫焊錫接觸的時(shí)間過(guò)長(cháng)。

目前市場(chǎng)上的疊層陶瓷電容分為兩種：適合回流焊 的和適合波峰焊的，極端磁頭熔化現象。

解決方法很簡(jiǎn)單：在使用波峰焊工藝時(shí)，盡量使用貼合波峰焊工藝的疊層陶瓷電容器 ，或者盡量避免使用回流焊工藝。

（來(lái)源于：Candy，原文鏈接：
https://www.utmel.com/blog/categories/capacitors/ceramic-capacitor-failure-mode-and-mechanism-analysis）