一文总结陶瓷电容 3 种失效模式7种陶瓷电容失效原理及处理方法

时间: 2024-11-25 11:50:41 |   作者: 片式多层瓷介电容器

  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。

  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。)

  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)

  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)

  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。

  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、 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,能够正常的使用两个银电极之间的完全短路,因此导致陶瓷电容失效。

  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,大幅度的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,而且还可能会引起介电击穿场强度降低,因此导致陶瓷电容失效。

  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别的类型的陶瓷介质电容器 出现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,银离子不但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。

  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。

  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有几率发生还原反应,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幅度的降低,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根本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。

  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,陶瓷材料没有办法获得致密的陶瓷介质,因此孔隙率较大,孔隙率大。

  另外,银电极被普遍的使用,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,介质的有效厚度大幅度的降低,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。可以有效的预防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,提升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。

  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 。

  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,能够大大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。

  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,或者尽可能的避免使用回流焊工艺。

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