转载---实战电子张飞2018-12-28 19:27

陶瓷电容故障分析：

多层片状陶瓷介质电容器由陶瓷介质、端电极和金属电极组成。故障的形式是金属电极和陶瓷介质之间的层错。当电容器受到外力（如轻轻弯曲板或用烙铁头触摸）和温度冲击（如烙铁焊接）时，电容器是好是坏。

多层片状陶介电容器陶介电容器可分为：

1热击失效

2扭曲破裂失效

3三大类原材料失效

(1)热击失效模式:

热击失效的原理是：在制造多层陶瓷电容器时，使用各种兼容材料会导致不同的热膨胀系数和内部张力的导热率。当温度转化率过大时，容易因热冲击而破裂。这种破裂通常发生在结构最弱、机械结构最集中的地方，通常发生在接近暴露端接和中央陶瓷端接的界面上，产生最大的机械张力（通常在晶体最硬的四个角），而热冲击可能会导致各种现象：

第一种是明显的形状，如指甲状或U-形的裂缝

第二种是隐藏在内的小裂缝

第二个裂缝也将从暴露的中心部分或陶瓷/端接界面的下部开始，并随温度变化，或在组装过程中沿扭曲蔓延（见图4）。

第一种形状是指甲状或U-形状裂缝和第二个隐藏的小裂缝之间的区别只是后者的张力较小，而导致的裂缝也较轻。第一个引起的裂缝是明显的，通常可以在金相中测量，第二个只能在发展到一定程度后测量。

(2)扭曲破裂失效

这种不良可能性有很多:按大类和表现可分为两种:

第一种情况、SMT阶段性破裂失效

取放零件时，特别是SMT阶段零件取放时，取放定中爪磨损、对位不准确、倾斜等。定中爪集中的压力会造成很大的压力或切割率，进而形成破裂点。

这些裂纹通常是可见的表面裂纹，或2到3个电极之间的内部裂纹；表面裂纹通常沿着最强的压力线和陶瓷位移方向。

真空检查头损坏或断裂﹐芯片表面一般会形成圆形或半月形的压痕面积﹐边缘不光滑。﹐半月形或圆形裂缝的直经也与吸头一致。

吸头引起的另一个损坏环﹐张力引起的破裂﹐裂缝将从组件中心的一侧延伸到另一侧﹐这些裂缝可能会扩散到组件的另一侧﹐粗糙的裂纹可能会损坏电容器的底部。

第二种、SMT生产阶段后期破裂失效

电路板切割﹑测试﹑安装背部组件和连接器﹑在最终组装过程中，如果焊锡组件在焊接过程中被扭曲或拉直电路板，则可能会造成扭曲破裂等损坏。

当板材在机械力作用下弯曲变形时，陶瓷的活动范围受到端位和焊点的限制，在陶瓷的端接界面上形成破裂，从形成位置开始，从45开始°角端接扩散。

(3)原材料失效

多层陶瓷电容器通常有两类内部缺陷，足以损害产品的可靠性：

电极间故障及结合线破裂燃烧破裂。

这些缺陷会导致电流过多，从而损坏组件的可靠性。详细说明如下：

1、电极间故障和组合线断裂主要由陶瓷的高间隙或电介质层与相对电极之间的间隙引起，导致电介质层断裂，成为潜在的漏电危机；

2.燃烧破裂的特性垂直于电极，一般来自电极边缘或终端。如果表明破裂是垂直的，则应由燃烧引起；

注：由于平行电容器内部层结构的分离程度不易测量原材料故障类中的第一个故障，第三个垂直结构金相可以保证测量

结论：

热击引起的破裂会从表面扩散到组件内部，机械张力过大引起的损坏可以从组件表面或内部形成，几乎为45°角的方向扩散，如果原材料失效，会导致垂直或平行于内部电极的破裂。

另外：热击破裂通常从一个端接蔓延到另一个端接﹐由取放机引起的破裂﹐端接下有多个破裂点﹐电路板扭曲造成的损坏﹐通常只有一个破裂点。

图教你分析电解电容失效分析

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钽电容：

优点：体积小，电容大，外观多样，使用寿命长，可靠性高，工作温度范围宽

缺点：容量小，价格高，耐电压和电流能力弱

应用:军事通信、航天、工业控制、影视设备、通信仪器

1它也是一种电解电容器。它以金属钽为介质，不像普通电解电容器那样使用电解液。钽电容器不需要像普通电解电容器那样用镀铝膜的电容纸包裹。它几乎没有电感，但这也限制了它的容量。——我们在大容量，但需要低容量ESL我们选择钽电容作为场景。

2钽电容内无电解液，非常适合高温工作。——一些温度范围要求较宽的场景。

3钽电容器的工作介质是在钽金属表面产生的一层非常薄的五氧化二钽膜。这层氧化膜。介质与组成电容器的一端极结合成一个整体，不能单独存在。因此，单位体积具有很高的工作电场强度，电容特别大，即比容量高，特别适合小型化。——高集成场景，铝电解电容占面积大，陶瓷电容不足。

4钽电容器具有优异的性能，是一种体积小、电容量大的产品，在电源滤波、交流旁路等方面很少有竞争对手。钽电解电容器具有储存功率、充放电等性能，主要用于滤波器、能量储存和转换、标记旁路、耦合和解耦以及时间常数元件。在应用中应注意其性能特点，正确使用将有助于充分发挥其功能，如考虑产品的工作环境和加热温度，并采取措施减少使用，如果使用不当会影响产品的工作寿命。——例如USB接口输出，需要降低后，耐压5V，在集成度高的场景中，当陶瓷电容器不满足高耐压性和大容量时，我们必须选择钽电容器。陶瓷电容器的储能效果不能按并联容量等效，达到相同效果的成本也很高。

5钽电容的温度稳定性较好。在一些耦合、滤波的场景，如果对相位，和滤波的频率特性要求比较高的场景，同时容量精度要求比较高的场景，会选用无极性的钽电容。如高音质要求的音频电路设计。

我们需要考虑不同温度情况下的电容的准确性和一致性。

显然，陶瓷电容器的温度特性不够稳定。

6在钽电容器的工作过程中，它具有自动修复或隔离氧化膜中缺陷的性能，使氧化膜介质能够随时加固和恢复其应有的绝缘能力，续的累积损伤。这种独特的自愈性能保证了其长寿命和可靠性的优点。——铝电解电容因干燥而无法满足使用寿命景。

第一、钽电容失效的模式很恐怖，轻则烧毁冒烟，重则火光四溅。

这里不去赘述“钽电容”的失效模式的原理。

通过这个失效的现象，就知道：如果电容失效，只是短路造成电路无法工作，或者工作不稳定，都是小问题，大不了退货。但是如果造成了客户场地失火，则是需要赔偿对方的人员及财产损失的。那就麻烦大了。

这是我们不要去选用钽电容的重要原因。

第二、钽电容的成本高

看看我们的淘宝就可以知道100uF的钽电容与100uF的陶瓷电容的价格差别，大概钽电容的价格是陶瓷电容的10倍。

如果电容容量需求在100uF以下的情况下，我们现在绝大多数下，耐压如果满足的情况下，我们一般需用陶瓷电容。

再大容量，或者再高耐压，陶瓷电容的封装大于1206的时候，尽量谨慎选择。

贴片陶瓷电容最主要的失效模式断裂（封装越大越容易失效）：贴片陶瓷电容器作常见的失效是断裂,这是贴片陶瓷电容器自身介质的脆性决定的.由于贴片陶瓷电容器直接焊接在电路板上,直接承受来自于电路板的各种机械应力,而引线式陶瓷电容器则可以通过引脚吸收来自电路板的机械应力.因此,对于贴片陶瓷电容器来说,由于热膨胀系数不同或电路板弯曲所造成的机械应力将是贴片陶瓷电容器断裂的最主要因素。

第三、钽电容未来将耗尽，有钱你都买不到。

早在2007 年，美国国防后勤署(DLA)十多年来已贮存大量钽矿物，为履行美国国会的会议决定，该组织将耗尽其拥有的最后140，000磅钽材料。      从美国国防后勤署购买钽矿石的买主已包括HC Starck、DM Chemi-Met、ABS合金公司、Umicore、Ulba冶金公司和Mitsui采矿公司，这些代表了将这些钽矿石加工制成电容器级粉末、钽制品磨损件或切削工具的众多公司。从美国国防后勤署购买这些钽矿石的投标人年复一年传统上是一贯的，这样当钽矿石供应变的吃紧时，因美国国防后勤署供应耗尽，一些公司只得抢夺新的矿石供应源。

为什么这是一个很重要的发展方向？

如果失去美国国防后勤署的钽矿石供应，估计2007年钽矿石供应市场留下150，000磅的缺口，2008年缺口为350，000磅。这个事件发生的时间不合时宜，因为现在的供应能力窘迫。比如第二大硬研矿石卖主澳大利亚的瓜利亚子公司在第四季度已总体削减矿石产量25%（即格林布什矿产量的一半），以便该公司能完成在澳大利亚的管理事宜。同样情形，在巴西冶金/CIF和巴拉那巴拿马（Paranapanema）两公司2006年的钽矿石产量已下降，原因是他们将兴趣转向开采更盈利的金属上。在非洲，主要供应源是刚果民主共和国（DRC）由于联合国的压力仍然没能达到产能极限，不过我们已经听到2006年许多投资者试图获取刚果库存钽矿石的报道，感觉这是钽矿石缺货的迹象。

钽电容器给设计工程师提供了在最小的物理尺寸内尽可能最高的容量，容量范围从47μF~1000μF特别有体积的优势，所以在集成度高又需要使用大容量，低ESR的场景下，钽电解电容有其独有优势。

大容量低耐压钽电容的替代产品：高分子聚合物固体铝电解电容器

高分子聚合物固体铝电解电容器与传统的电解电容相比，它采用具有高导电度、高稳定性的导电高分子材料作为固态电解质，代替了传统铝电解电容器内的电解液，它所采用的电解质电导率很高，再加上其独特的结构设计，大幅改善传统液态铝电解电容器的缺点，展现出极为优异的特性。

理想的高频低阻抗特性。高分子聚合物固体电解电容器的损耗极低，具有理想的高频低阻抗特性，所以被广泛应用于退耦、滤波等电路中，效果埋想，特别是高频滤波效果优秀。

通过一个实验可以更加直观和清楚地看出高分子聚合物固体铝电解电容器与普通电解电容之间的高频特性明显差异。在平滑电路输入叠加1MHz（峰一峰值电压8V）高频干扰信号，用1只47uF的高分子聚合物固体电解电容器滤波，可使噪声降到仅有峰一峰值电压30mV输出。要达到同样的滤波效果，需要并联4只1000uF的普通型液态铝电解电容器，或者并联接入3只100UF的钽电解电容器。

此外，在高频滤波效果更好的情况下，高分子聚合物固体铝电解电容器的体积明显小于普通型铝电解电容器。

随着工艺不断提升，高分子聚合物固体铝电解电容器优势逐步显现。同时，价格也需要进一步优化。

铝电解电容的失效分析

铝电解电容是电容中非常常见的一种。铝电解电容用途广泛：滤波作用；旁路作用；耦合作用；冲击波吸收；杂音消除；移相；降压等等。对于铝电解电容，常见的电性能测试包括：电容量，损耗角正切，漏电流，额定工作电压，阻抗等等。在失效分析案件中，关于铝电解电容的失效案件不少，那么常见的铝电解电容的失效机理有哪些呢？

1漏液

在正常的使用环境当中，经过一段时间密封便可能出现泄漏。通常，温度升高、振动或密封的缺陷等都有可能加速密封性能变坏。漏液的结果是电容值下降、等效串联电阻增大以及功率耗散相应增大等。漏液使工作电解液减少，丧失了修补阳极氧化膜介质的能力，从而丧失了自愈作用。此外，由于电解液呈酸性，漏出的电解液还会污染和腐蚀电容器周围其他的元器件及印刷电路板。

2介质击穿

铝电解电容器击穿是由于阳极氧化铝介质膜破裂，导致电解液直接与阳极接触而造成的。氧化铝膜可能因各种材料、工艺或环境条件方面的原因而受到局部损伤，在外电场的作用下工作电解液提供的氧离子可在损伤部位重新形成氧化膜，使阳极氧化膜得以填平修复。但是如果在损伤部位存在杂质离子或其他缺陷，使填平修复工作无法完善，则在阳极氧化膜上会留下微孔，甚至可能成为穿透孔，使铝电解电容击穿。工艺缺陷如阳极氧化膜不够致密与牢固，在后续的铆接工艺不佳时，引出箔条上的毛刺刺伤氧化膜，这些刺伤部位漏电流很大，局部过热使电容器产生热击穿。

3开路

当电容器内部的连接性能变差或失效时，通常就会发生开路。电性能连接变差的产生可能是腐蚀、振动或机械应力作用的结果。当铝电解电容在高温或潮热的环境中工作时，阳极引出箔片可能会由于遭受电化学腐蚀而断裂。阳极引出箔片和阳极箔的接触不良也会使电容器出现间歇开路。

4其他

1）在工作早期，铝电解电容器由于在负荷工作过程中电解液不断修补并增厚阳极氧化膜（称为补形效应），会导致电容量的下降。

2）在使用后期，由于电解液的损耗较多，溶液变稠，电阻率增大，使电解质的等效串联电阻增大，损耗增大。同时溶液黏度增大，难以充分接触铝箔表面凹凸不平的氧化膜层，这就使电解电容的有效极板面积减小，导致电容量下降。此外，在低温下工作，电解液的黏度也会增大，从而导致电解电容损耗增大与电容量下降等后果。

参数	铝电解电容
电容量	业界可以做到  0.1uF～3F  （常见容量范围    0.47uF～6.8mF），工作电压从5V～500V。       从25℃到高温极限，容量增加不超过5％～10％；对于－40℃极限的电容，在    －40℃时，低压电容的容量会下降20％，高压电容则下降有40％之多；在－20℃到    －40℃温度区间时，容量下降最快；对于－55℃极限的电容，在－40℃时，下降通    常不超过10％；在－55℃时，不超过20％。
ESR	100kHz/25℃下，ESR值一般在几十mΩ～2.5  Ω，Low ESR型号的一般几十mΩ。  ESR值随着温度的变化而变化，一般从25℃到高温    极限，ESR会下降大约35％～50％；而从25℃到低温极限，ESR会增大10到100倍。
ESL	铝电解电容的寄生串联电感值ESL，其值较为稳定，并不随频率和温度变化，对于通用铝电解电容，ESL不会超过100nH  ,如SMT封装，其值在2nH~8nH范围内；径向插装:10nH~30nH ;螺旋式（ screw-terminal ） ：20nH~50nH  ;而轴向插装的结构 ， 其值则可以达到200nH。
板上工作频率范围	主要为低频滤波，不超过几百KHz，但是对1  MHz以内仍有一些作用。
可靠性薄弱点及其避免	铝电解电容的可靠应用主要是关注温度，因为铝电容的电解质为液态，芯子发热将导致电解液挥发，长期下去最终干涸失效，当电容应用在脉冲交流电路中时，纹波电流流经ESR产生的损耗发热将严重影响了器件的使用寿命。
使用建议	在大于75  ℃的高温场合，应尽量少用小尺寸的铝电解电容。尽量选用容量较大的规格，发挥铝电解电容的优势。适宜用于工频的整流平滑滤波、开关电源输入滤波和低频开关电源的输出滤波等，不推荐用于高频开关电源的输出滤波。

参数	钽电解电容
电容量	限于固体烧结型工艺结构和材料，其CV值（电容与电压乘积）做不大，容量和电压有一定范围，一般从0.1uF~1000uF（常见的容量范围 1uF ～220uF ） ； 工 作 电 压  从2V~50V（常见耐压范围为6.3V～50V）；    容量的值随着频率的增大而减小，由于为固体MnO2电解质，其容量温度特性较稳定，甚至温度低到-190℃时，容量都只有10％减小量。
ESR	ESR的温度特性比较稳定。厂家给出100KHz的ESR最大值，可以作为设计的参考，但是实际值一般比最大值小很多。
ESL	良好布线情况下一般为2nH左右。
板上工作频率范围	中低频滤波，不超过数MHz，主要为几百KHz到数MHz之间。
可靠性薄弱点    及其避免	钽电解电容的可靠应用主要关注电压降额和电压变化速度，无法得到足够电压降额，同时上下电较快的地方建议用其他电容替代。同时边缘规格的钽电容工艺不够成熟，慎用，特别是高可靠要求场合上不宜使用。
使用建议	15V以上直流电压的滤波不建议使用钽电容，特别是在上电较快的电源输入口处。低压但上电较快场合，建议加缓启动。高温会增加钽电容失效的概率，因此高温应用中需要增加电压降额。

参数	陶瓷电容
电容量	第一类（NPO或COG），低容量、稳定性高；电性能最稳定，基本上不随温度、电压与时间的改变而改变；第二类（X7R），电介质常数较大，相同体积的容量要比第一类要大20～70倍，但温度从-55℃到125℃范围变化时，容量变化一般在±10％，最大可达＋15％到-25％，第三类（Z5U），其电介常数较高，常用大容量电容器产品，但其容量稳定性较X7R差；其容量可以做到第二类的5倍，然而容量、损耗对温度、电压等较为敏感，稳定性很差，当温度从-25℃到85℃变化时，容量变化为＋20％到-65％。
ESR	ESR为几个mΩ到几百mom之间，容量越小ESR越大。ESR随温度变化呈线性，X7R介质，125℃下ESR为室温的20％，－55℃下则为室温的3倍多。NPO则较稳定，变化系数约为X7R的1/3。
ESL	ESL随封装变化，一般0603和0805封装的ESL在良好布线情况下为1nH左右，1206和1210则为1.2nH左右。
板上工作频率范围	高频滤波，种类较多，从数MHz直到数百MHz、1GHz上都可以。
可靠性薄弱点    及其避免	易受温度冲击导致裂纹，主要由于在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致，不当返修也是温度冲击裂纹的重要原因。  多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力比较差，任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。
使用建议	单板布线时不要把陶瓷电容布放在应力区，例如单板的边缘、紧固件附近等等，最大限度地使多层陶瓷电容器避开在工艺过程中可能产生较大机械应力的区域。除了NPO电容比较稳定外，X7R电容和Z5U电容（或Y5V）容量具有随温度和偏压变化的特性。

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