电容器失效模式和失效机理

电容器的常见失效模式有:击穿、开路、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上下班升等)、漏液、引线腐蚀或断裂、绝缘子破裂或表面飞弧等.引起电容器失效的原因是多种多样的.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机理归纳如下.
1、常见的七种失效模式
(1) 引起电容器击穿的主要失效机理
① 电介质材料有疵点或缺陷,或含有导电杂质或导电粒子;
② 电介质的电老化与热老化;
③ 电介质内部的电化学反应;
④ 银离子迁移;
⑤ 电介质在电容器制造过程中受到机械损伤;
⑥ 电介质分子结构改变;
⑦ 在高湿度或低气压环境中极间飞弧;
⑧ 在机械应力作用下电介质瞬时短路.
(2) 引起电容器开路的主要失效机理
① 引线部位发生“自愈“,使电极与引出线绝缘;
② 引出线与电极接触表面氧化,造成低电平开路;
③ 引出线与电极接触不良;
④ 电解电容器阳极引出箔腐蚀断裂;
⑤ 液体工作台电解质干涸或冻结;
⑥ 机械应力作用下电介质瞬时开路.
(3) 引起电容器电参数恶化的主要失效机理
① 受潮或表面污染;
② 银离子迁移;
③ 自愈效应;
④ 电介质电老化与热老化;
⑤ 工作电解液挥发和变稠;
⑥ 电极腐蚀;
⑦ 湿式电解电容器中电介质腐蚀;
⑧ 杂质与有害离子的作用;
⑨ 引出线和电极的接触电阻增大.
(4) 引起电容器漏液的主要原因
① 电场作用下浸渍料分解放气使壳内气压一升;
② 电容器金属外壳与密封盖焊接不佳;
③ 绝缘了与外壳或引线焊接不佳;
④ 半密封电容器机械密封不良;
⑤ 半密封电容器引线表面不够光洁;
⑥ 工作电解液腐蚀焊点.
(5) 引起电容器引线腐蚀或断裂的主要原因
① 高温度环境中电场作用下产生电化学腐蚀;
② 电解液沿引线渗漏,使引线遭受化学腐蚀;
③ 引线在电容器制造过程中受到机械损伤;
④ 引线的机械强度不够.
(6) 引起电容器绝缘子破裂的主要原因
① 机械损伤;
② 玻璃粉绝缘子烧结过程中残留热力过大;
③ 焊接温度过高或受热不均匀.
(7) 引起绝缘子表面飞弧的主要原因
① 绝缘了表面受潮,使表面绝缘电阻下降;
② 绝缘了设计不合理
③ 绝缘了选用不当
④ 环境气压过低.
电容器击穿、开路、引线断裂、绝缘了破裂等使电容器完全失去工作能力的失效属致命性失效,其余一些失效会使电容不能满足使用要求,并逐渐向致命失效过渡;
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.失效模式与失效机理之间的关系不是一一对应的.
2、电容器失效机理分析
(1)、潮湿对电参数恶化的影响
空气中湿度过高时,水膜凝聚在电容器外壳表面,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能力下降.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(OH-),引线根部产生电化学腐蚀.即使烘干去湿,也不可能引线复原.
(2)、银离子迁移的后果
无机介质电容器多半采用银电极,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伸.银离子迁移不仅发生在无机介质表面,银离子还能扩散到无机介质内部,引起漏电流增大,严重时可使两个银电极之间完全短路,导致电容器击穿.
银离子迁移可严重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上升.
由于正电极有效面积减小,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.银离子迁移严重时,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,最后导致电容器击穿.
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重得多,原因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也过程中,银参与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.如果陶瓷介质不够致密,则水分渗入后,银离子迁移不仅可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,银离子迁移时容易产生短路现象.
(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重问题.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,因为击穿时局部发热厉害,较薄的管壁或较小的瓷体容易烧毁或断裂.
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重.
银离子迁移使电容器极间边缘电场发生严重畸变,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.严重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、保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,原因是介质留边量较小,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重.由于银离子迁移的产生与发展需要一段时间,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.
(4)、高频精密电容器的低电平失效机理
云母是一种较理想的电容器介质材料,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,特别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迅速发展,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.精密聚苯乙烯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烯电容器,一般采用金属箔极板,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年代以来出现的新问题.低电平失效是指电容器在低电压工作条件下出现的电容器开路或容量下降超差等失效现象.60年代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,具体表现是电容器完全丧失电容量或部分丧失电容量.对于低电平冲击,使电容器的电容量恢复正常.
产生低电平失效的原因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.
精密聚苯乙烯薄膜电容器一般采用铝箔作为极板,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,电容器在交流电路中工作时,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具体因素归纳如下:
① 引线表面氧化或沾层太薄,以致焊接不牢;
② 引线与铝箔点焊接不良,没有消除铝箔表面点焊处的氧化铝膜层;
③ 单引线结构的焊点数过少,使出现低电平失效的概率增大;
④ 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,恶化接触情况;
⑤ 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具体因素归纳如下:
① 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;
② 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容易硫化,使极板与引线间的接触电阻上升.
(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,但自愈过程颇为复杂,自愈虽能避免电容器立即因介质短路而击穿,但自愈部位肯定会出现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能力增加,导致电容器电阻下降、损耗增大与电容减小.严重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.
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,极易吸收潮气.电容器芯子虽浸渍处理,但如果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减少过多而失效.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.如果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.如果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重腐蚀,这种电解性腐蚀导致引线机械强度降低,严重时可造成引线断裂失效.