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要對電容器進行嚴謹?shù)氖Х治?，有必要全面了解電容器的結構。電容器因其使用的材料及其結構不同分為不同的類型：鉭電容器、陶瓷電容器、鋁電容器等（見表1）。每種電容器因其提供獨有的特性而具有特殊的應用。如同三明治一樣，簡單的電容器是把一個絕緣體材料夾在兩個導體之間，通過導體施加偏置電壓。電容器容量（C）由如下等式給出，其中e,A和t分別表示介電常數(shù)，表面積以及厚度。

C = eA/t                     (等式1)

 

表1   不同類型的電容器

類型	電介質	陽極/陰極	結構	有無極性
鉭電容器	五氧化二鉭	鉭/MnO2 鉭/導電聚合物 鉭/液體電解質	具有高比表面積的多孔鉭陽極	有
鋁電容器	氧化鋁	鋁/導電聚合物 鋁/液體電解質	具有高比表面積的蝕刻鋁箔膜	有
陶瓷電容器	BaTiO3/ ZrTiO3等	賤金屬電極（BME）如銅、鎳 貴金屬電極（PME）如銀、鈀	具有高比表面積的分層結構	無
薄膜電容器		金屬，如鋅、鋁等	具有高比表面積的分層結構	無

 

電子設備的小型化要求在更小的容積下提供更高的容量。在小容積下獲得高容量的一種方式是增加等式1中的“A”表面積。不同類型電容器獲得的方式是不同的。比如鉭電容器，可通過使用多孔鉭陽極來獲得（高比表面積），通常陽極塊是由鉭粉連同鉭絲一起壓制并燒結后制成的。然后用電化學的方式在高比表面積多孔鉭陽極塊上生成無定形Ta2O5電介質。一般Ta2O5電介質層只有幾十個納米厚。然后使用陰極材料浸漬多孔陽極塊（MnO2 或是導電層），在小的容積中生成高容量（見圖1）。一般固體鉭電容器使用在100V以下，其中多數(shù)情況下是使用在50V以下。濕式鉭電容器（陰極是液體）工作電壓可以高一些，可以達到幾百伏。

 

 

  (a)鉭電容器結構示意圖

 

 

(b)所示的是鉭陽極塊內部的鉭/電介質/MnO2陰極

 

 

(c)所示的是陽極塊內部的鉭/電介質/導電聚合物陰極

 

對于陶瓷和薄膜電容器來說，其電介質層和電極材料是分別交互堆積的，這種交互堆積的電極可以避免極性相對的電極接觸。圖2所示的是陶瓷電容器的典型結構。幾十到上百（陶瓷電容器中）甚至上千（薄膜電容器）電極層堆積起來，已獲得需要的容量。

 

 

圖2   陶瓷電容器的典型結構

 

因為不同類型電容器的材料和結構有明顯的差異（見表1，圖1和圖2），所以引起電容器失效的原因也有所不同。因此，每一種條件都需有特定的失效分析方法。需要注意的是失效電容器的失效分析是一種全面的因果分析，包括對電路和應用條件的分析。本文所論述的是片式鉭電容器的失效分析概述。

鉭電容器的電失效模式可以分成三種類型：高漏電流/短路、高等效串聯(lián)電阻以及開路/低容量，多數(shù)的失效集中在高漏電流/短路上。每一種失效模式都有其自身可能的原因，因此失效分析方法要由失效類型來確定，這在下面會討論。在討論破壞性分析之前，有必要在不進一步損壞破壞電容器的條件下盡可能多的獲取有關鉭電容器的物理和電性能的數(shù)據(jù)。接觸到與電容器有關的背景信息和使用條件，例如電路板的貼裝、貯存、使用參數(shù)、環(huán)境條件、無故障工作時間等等，要盡可能多的收集數(shù)據(jù)并進行分析，因為單一數(shù)據(jù)是不能確定出電容器失效的根本原因。圖3所列的是片式鉭電容器最常見的失效原因（分為使用過程和生產過程兩部分），這將有助于對鉭電容器進行失效分析。值得注意的是，由使用條件或是生產異常所引起的電容器失效是非常相似的。

 

 

圖3   引起鉭電容器失效的常見原因

（a）高漏電流/短路 （b）高ESR

 

非破壞性分析

 

由于對失效定義的解釋是變化的，因此失效分析人員了解電容器失效的類型就變得很重要。在所有的情況中，電容器的驗貨檢驗是可以和其產品規(guī)范相比較的。此外，無損檢驗技術的結果將有助于確定一條能查明導致電容器失效根本原因的途徑。

理論上講，失效電容器最初應該能在電路板上進行檢查。這要證實電容器的安裝極性是正確的。如果在沒有任何外部應力存在的情況下，電容器的檢查（電路板狀態(tài)）及其環(huán)境應有利于識別。焊接點的分析應盡可能的識別出手工返工的狀態(tài)。其次，電容器的外部和內部結構應可檢查。電容器的外部檢查一般使用立體顯微鏡進行控制，立體顯微鏡能顯示出諸如模塑環(huán)氧的裂縫、褪色、熱/機械損傷、返工等缺陷。外部缺陷的確定是鉭電容器失效的原因之一，但是失效的結果并不關鍵，因為它有可能將根本原因分析錯誤。X光檢測可以檢查電容器的內部結構及其任何異常狀態(tài)（陽極未對準，弱正極或是負極接觸等）。隨著X光分辨率的改善和計算機運行速度加快，X光斷層照相術正成為分析電容器內部結構的一種有益的工具。

  物理檢查和X光檢查之后，對驗貨狀態(tài)的電容器電性參數(shù)也要進行記錄。當然這要以不進一步損傷電容器的方式進行。毋容置疑，電容器必須要與電路進行電隔離。所有的鉭電容器制造商都會將其生產的電容器以特有的方式進行標識，一般會提供出制造商名稱、容量、額定電壓、日期/批次代碼以及極性。這樣做的一個重要原因是確保失效的電容器不是假冒好品。

對于電容器電性，所要做的第一件事情就是檢查鉭電容器的直流電阻，一般使用萬用表檢查。這樣做是要使有效電流維持在很低的水平下。小于∞的直流電流表明電容器具有高電流或是處于短路狀態(tài)。接著，在適當頻率下使用LCR測試儀在0.5或是1Vrms條件檢測容量、損耗因子（DF）以及ESR。需要注意的是短路電容器的容量、DF和ESR是不滿足規(guī)范要求的。由于電容器具有“自愈”功能，因此測試漏電流必須要十分小心。MnO2鉭電容器和聚合物鉭電容器的自愈機理是有差別的。

 

高漏電流/短路失效

 

如果電容器具有小于∞的DCR，說明在電容器的正負極之間存在導電路徑。假設電容器與電路之間被隔離，要么是泄漏通道通過鉭陽極塊（電介質層已經被損壞），要么旁路鉭陽極塊，在正負極之間形成了導電路徑。應該檢查電容器，以確保在外部不存在電路橋。正如圖3中所示，可能還有一些引起導電路徑的原因，這可以大體分為使用或是生產兩種方式。

在進行任何破壞性分析之前了解電容器內部的失效點位置是非常有益的，特別是對大殼號和多陽極鉭電容器來說。圖4所示的是高漏電流電容器的熱成像圖，其中電容器耐受了額定電壓，并在短時間內施加了非常少量的電流。在失效點局部的內熱會引起局部溫度的輕微提升，這可以通過熱成像系統(tǒng)記錄下來。熱成像和X光分析結合使用可以精確的確定出失效部位。這種方法增加失效分析成功幾率，并可縮短失效分析的時間。然后橫切電容器直到失效點，陽極和電極的任何異常都能分析到。如果電容器不存在外形異常，其DCR一般在幾百千歐到幾百兆歐這樣的范圍內，不會觀察到熱量點，為確保產品真的具有高漏電流，應該額定電壓下測量該值。

 

 

圖4   鉭電容器的熱成像所顯示的失效位置的高溫點

 

基于這種失效模式，要檢查鉭陽極的完整性和電介質的質量，就要使用化學的方法對鉭電容器進行剝離。一般要實現(xiàn)比較致密的鉭電介質，可使用電化學的方法，在兩到三倍電容器額定電壓條件下生成。電介質中的瑕疵，例如如圖5所示的結晶氧化物，可以通過剝離電極層的方式進行檢查。結晶氧化物疵點削弱了無定形電介質，從而提供出一個導電通道。少量存在的疵點可通過鉭電容器的自愈機理將其隔離。與此相同的是，結晶氧化物在高壓電容器（一般是35V或者更高）中更加顯著，大量疵點的出現(xiàn)引起電容器出現(xiàn)問題。過去的幾年中，已經開發(fā)出一些方法來減小或是消除結晶氧化物的生長。

 

 

圖5  鉭陽極塊上的結晶點

 

像其他電子元件一樣，鉭電容器也會因使用條件而出現(xiàn)失效（圖3a）。作為一種極性元件，鉭電容器能在短暫時間內耐受少量的反向偏置電壓；但是，不允許電容器承受反極性連接。如果遭受反向偏置電壓，電容器會變得不可靠，但是某種情況下，有可能取一些相同電路上的類似電容器做反向拐點電壓測試。如果電容器是屬于那種已經遭受過反向偏置電壓的電容器，這種測試會有助于驗證效果。

電路穩(wěn)定性也是一個重要因素。高浪涌電流和高浪涌電壓也會損傷電介質，引起失效。不正確的使用條件和有問題的電介質最終導致的結果就是出現(xiàn)局部高溫。確保在特定應用中使用恰當?shù)碾娙萜魇橇硗庖粋€要考慮的問題。

總的來說，表面貼裝鉭電容器不是密封，因此吸收水分?；亓骱高^程中電容器中明顯存在的潮氣會在電容器內部產生大量的蒸汽，某種情況下，這會導致模塑環(huán)氧料破裂，將有更多的潮氣滲入到內部。在貯存或是使用過程中進一步的高濕和高溫的暴露過程也能導致電容器內部導電物質化學/電化學遷移，最終出現(xiàn)漏電通路。

 

高ESR失效

 

引起高ESR值的原因主要可以分成兩類：連接不良或是材料電阻率的增加（圖3b）。再一個，在進行破壞性分析之前，必須要在適當?shù)念l率下測量ESR值高低的狀態(tài)，更重要的是，必須要確保測試探針和電容器端子之間保持正確的連接。焊接點上存在的保形涂料或助焊劑、不合適的焊料/粘接、端子/焊接點的氧化、不合適的探針等等可能造成ESR值比實際的要高。

電容器在拾放、貼裝、回流焊和使用期間會暴露在機械/熱機械應力下，這種應力會影響到電容器的ESR。這些類型的應力能連累到外部或是內部的連接，導致高ESR。一般使用在鉭電容器中的材料，其熱膨脹系數(shù)大不一致，當暴露在一個相當長的高溫期間時，能產生機械熱應力，導致ESR值出現(xiàn)問題。

當電容器暴露在一個相對高溫高濕的環(huán)境中時，會出現(xiàn)外部引線氧化，引起高ESR值。由于鉭電容器不是完全的密封，在高溫高濕的條件下，水分能滲入到電容器內部，導致引線端子氧化，電極層出現(xiàn)破裂/分層。

從鉭電容器的生產角度看，多數(shù)ESR問題是從陰極層產生的，包括陰極層分層、陰極層過厚、陰極層缺失的等等。ESR問題很少和正極連接問題有聯(lián)系，一般是由于鉭絲與正極引線框架出現(xiàn)虛連接而引起的。全面的X光分析能暴露一些內部連接的問題。剖面電容器的光學或是掃描電鏡分析將更有助于確定其根本原因。剖面電容器也能用微探針分析，確定到底哪一層對電容器的高ESR值影響最大。這個過程必須要非常細致地做，因為像剖切技術這樣的破壞性分析技術能引起樣品制備瑕疵。

 

低容量/開路

 

正常條件下鉭電容器的容量不會出現(xiàn)明顯的改變，這種失效模式并不常見。一般，在顧客入廠檢查下明顯的低容量一般是由電容器有毛病或是貼錯標簽引起的。使用中電容器的電容量是由電容器短路引起的。某種程度電容器暴露在高溫和高濕條件下容量會增加，反之，烘干能減小容量。如果鉭電容器處于短路，容量會視為開路。開路失效也可能由正極框架和鉭絲連接的損傷或是不連續(xù)引起的。X光圖像將有助于檢查內部結構，同時剖面分析可有助于識別原因。

 

預防片狀鉭電容失效的措施

 

1、降額：一般情況下，二氧化錳鉭電容需要耐壓降額50%以上使用。

2、并聯(lián)得到大的容值：不要選擇太大容值的鉭電容，可以通過幾個較小的容值鉭電容進行并聯(lián)。

3、反向電壓限制：不允許反向電壓。萬用表測量時也要分清電極，避免反向電壓。

4、電源電路中選擇緩啟動，避免上電浪涌電流。

5、遠離熱源

6、紋波電流降額使用。

 

本文整理自：

1、百度文庫《鉭電容器失效分析概述》上傳者：海燕傳遞之聲的店

2、電子工業(yè)專用設備《片狀鉭電容失效分析》作者：劉家欣、肖大雄、徐征