電容器常見漏電失效模式分析及應用建議

崔德勝，陳朝杰，彭 磊，熊盛陽，高憬楠

（中國運載火箭技術研究院元器件可靠性中心，北京 100076）

研究與試制

電容器常見漏電失效模式分析及應用建議

崔德勝，陳朝杰，彭 磊，熊盛陽，高憬楠

（中國運載火箭技術研究院元器件可靠性中心，北京 100076）

分析了近年來發(fā)生的電容器漏電失效典型案例，研究了瓷介電容器和鉭電解電容器的漏電失效機理，分析表明金屬遷移和介質層缺陷是導致電容器產(chǎn)生漏電流的主要原因。以電容器漏電流產(chǎn)生的理論機理為基礎，從選擇、檢驗和使用可靠性角度，提出了一系列電容器選型建議、檢驗準則和使用要求，以確保電容器在航天等高可靠領域的應用。

瓷介電容器；鉭電解電容器；漏電；可靠性；選用；航天

電容器是組成電子電路的主要元件之一，起耦合、濾波、儲能等作用。電容器按電解質主要可分為：無機介質電容器、有機介質電容器和電解電容器等。隨著航天技術的發(fā)展，集成度逐漸提高，但電容器的用量仍然在增加，鑒于容量、體積及可靠性的要求，瓷介電容器和鉭電解電容器已成為電容器領域的主力軍，同時，貼片式電容器正逐漸取代傳統(tǒng)軸向和徑向封裝電容器，是航天型號用量最大的元件。通常，電容器失效模式主要有：開路、短路、結構破壞、功能喪失、參數(shù)變化、接觸不良等，其中，短路模式所占比例最大。因此，短路是瓷介電容器和鉭電容器不容忽視的失效模式，短路主要表現(xiàn)為漏電流超標。所有失效中，有電容器固有缺陷，也有使用不當所致，所以解決瓷介電容器和鉭電容器漏電問題是提高電容器固有可靠性和使用可靠性的關鍵。本文主要針對瓷介電容器和鉭電解電容器漏電問題，分析了典型失效案例和失效機理，并從理論和實踐角度提出相應解決措施。

1 典型案例及失效機理分析

1.1 金屬遷移導致漏電

1.1.1 瓷介電容器金屬遷移

圖1是某片式瓷介電容器因短路而失效后的表面和剖面照片。對電容器的剖面進行觀察時，發(fā)現(xiàn)電介質層中存在貫穿性裂紋，在裂紋中可見內電極材料，內電極材料在電場作用下已沿裂紋通道產(chǎn)生遷移，將相鄰內電極搭接。

電容器瓷體開裂主要是電容器韌性低，耐彎曲能力不足，當印制板彎曲時，會對電容器產(chǎn)生拉或壓的應力，導致電容器端頭形成45度的微裂紋，經(jīng)溫度循環(huán)和振動后，微裂紋可能繼續(xù)擴大[1]。另外，若焊接時沒有對電容器進行預熱處理，會導致安裝不匹配，存在應力，溫度變化劇烈時，熱沖擊會在表面產(chǎn)生裂紋并向內部傳播。如果在使用時對產(chǎn)生裂紋的電容器兩端施加電壓，電場會使相鄰內電極材料沿裂紋處遷移[2]，主要表現(xiàn)為電容器絕緣電阻下降，漏電流增大，嚴重時會發(fā)生短路。

圖1 瓷介電容器瓷體開裂Fig.1 Cracking of the ceramic capacitor

1.1.2 銀外殼液體鉭電容器金屬遷移

圖2為一只銀外殼液體鉭電容器因漏電流超標而失效照片。經(jīng)分析，鉭體的底部和側面存在“樹枝”狀的附著物，具有銀白色金屬光澤，附著物是銀離子遷移的產(chǎn)物。

圖2 鉭電容器內部形貌Fig.2 Internal morphology of the tantalums capacitor

分析表明，該電容器漏電超標與在使用中受到了反向電壓有關，銀外殼液體鉭電容器獨特的銀外殼是產(chǎn)生漏電流的主要原因。當前大量應用的銀外殼液體鉭電容器采用高純度銀外殼作為陰極。但是當這種電容器加上反向電壓或不對稱紋波電流時，銀質外殼的鉭電解電容器會由于鉭-銀之間的電位差，使銀在酸性溶液作用下溶解出的銀離子逐步遷移，即“銀離子遷移”，并沉淀在陽極介質表面，在介質膜層缺陷處形成導電通道，引起漏電流劇增以致產(chǎn)品失效。

另外，應用中的浪涌電流也會造成鉭電解電容器的失效率偏高，尤其是接在電源濾波電路的鉭電解電容器。由于電源開與關時有瞬時大電流，電容器在瞬變的大電流沖擊之下，使電容器氧化膜上有雜質缺陷處產(chǎn)生介質擊穿，主要分為以下兩種情況：

（1）擊穿部位漏電流會迅速增大，發(fā)熱也就越大，兩者形成正反饋，最終出現(xiàn)電容器短路燒毀，并在外觀上造成模壓塑封料變色、發(fā)黑。

（2）電容器擊穿部位在持續(xù)通電和發(fā)熱狀態(tài)下，其內部會引起與之接觸的固體電解質二氧化錳發(fā)生如下化學變化[3]：

浪涌電流或高溫工作時，導電性能良好的二氧化錳經(jīng)化學反應后轉化為導電性能差的三氧化錳，缺陷位置的二氧化錳轉化為不導電的三氧化二錳后，使它與其區(qū)域產(chǎn)生電隔離，流過這個位置的電流將減小，造成氧化膜發(fā)生“自愈”現(xiàn)象，鉭電容又可以正常地工作。但電容器承受功率的能力降低，電容量會變小，當受到浪涌電流或高溫時，失效的概率會增大[4]。

1.2 介質層缺陷導致短路

固體鉭電解電容最常見的失效模式是短路。圖3是固體鉭電解電容器燒毀后的鉭芯照片，表面有明顯的燒毀痕跡。圖4顯示一只固體鉭電解電容器爆裂并整體燒黑，此失效現(xiàn)象較為嚴重，電容器燒毀后產(chǎn)生了金屬多余物，多余物極有可能導致其他關鍵設備或元器件的短路，造成整機失敗的嚴重后果。

圖3 固體鉭電容表面擊穿燒毀Fig.3 Breakdown of the solid tantalums capacitor

圖4 固體鉭電容器燒毀后的外貌和鉭芯Fig.4 The appearance and tantalum core after breakdown of the solid tantalums capacitor

分析認為，以上固體鉭電解電容器的所有失效均是介質層中存在缺陷引起的，缺陷產(chǎn)生于生產(chǎn)過程中。鉭電容器正常情況下都會存在微量缺陷，在加電時會有很小的漏電流（通常在納安量級），漏電流導致的溫升和鉭電容器散熱能力可達到熱平衡，鉭電容器可長期正常工作。

在賦能工藝中，若由于工藝控制或材料原因，在形成的無定形Ta2O5膜上會出現(xiàn)局部晶化點，在施加電場時，由于局部晶化點的Ta2O5介電性能差、電導率高，致使局部晶化點的漏電流增加而產(chǎn)生局部發(fā)熱，逐漸發(fā)展成餅狀的腫塊，直至發(fā)生雪崩式熱擊穿。

若鉭粉純度不高，存在鐵、氧、氫等雜質，這些雜質在陽極賦能過程中將生成氧化物存留于介質氧化膜中，由于雜質氧化物多為半導體，會形成導電通道，使介質層的介電常數(shù)下降，抗浪涌電壓能力差，在加電工作時，缺陷處漏電流會偏大，導致局部溫升高，而隨著溫度升高，該處漏電流繼續(xù)增大，形成一個正反饋，當漏電流達到一定程度后，會造成擊穿短路現(xiàn)象。

2 應用建議

在電容器漏電引發(fā)的失效屢屢發(fā)生的情況下，為提高航天等高可靠領域用電容器的可靠性，分析了歷史問題并歸納總結經(jīng)驗，從固有可靠性和使用可靠性角度出發(fā)，在電容器選用、檢驗方面采取了相應的措施，并形成技術準則及標準，以減少質量問題的發(fā)生。

2.1 電容器選型控制

2.1.1 不宜選用長寬比大于2:1和1206尺寸片式瓷介電容器

片式瓷介電容器瓷體開裂導致漏電超標主要由兩個因素造成，一是瓷體的材料、內部缺陷和產(chǎn)品尺寸，一是焊接過程中產(chǎn)生的熱應力以及安裝后產(chǎn)生的力學應力。瓷介電容器韌性低，若焊接或安裝時存在應力，片式電容器的應力只能釋放到電容器本體上，而有引線電容器可通過引線釋放應力，若使用中對電容器產(chǎn)生拉或壓的應力，電容器瓷體會開裂。瓷體斷裂強度可表示為：

式中：W為電容器寬度(mm)；T為電容器厚度(mm)；L為端電極焊點間距離(mm)；γ為彎曲應力；ε為修正因子，其與瓷體的臨界應力強度因子、熱傳導系數(shù)和楊氏模量有關[5]。一般情況下，瓷體的韌性為：NP0＞X7R＞Z5U[5]。因此，由式（1）可知，在同一種材料情況下，電容器寬度和厚度越大，長度越小，瓷體的斷裂強度越大。

在進行大量驗證試驗后，發(fā)現(xiàn)航天等軍工領域中，所有因瓷體開裂而失效的電容器多數(shù)是1206尺寸，此尺寸電容器長度為3.2 mm，部分容量的產(chǎn)品厚度為1.5 mm，僅與0805尺寸的厚度相同，因此安裝后斷裂強度比其他尺寸低，即“細長”的瓷體容易開裂。因此，不宜選用長寬比大于 2:1和尺寸為1206的瓷介電容器。

2.1.2 不宜選用進口工業(yè)級固體鉭電解電容器

當前選用的進口產(chǎn)品大多為工業(yè)級產(chǎn)品，進口工業(yè)級產(chǎn)品允許存在一定失效率，產(chǎn)品的最終狀態(tài)是靠生產(chǎn)線的工藝控制來保證，無相關的篩選，而且進口工業(yè)級產(chǎn)品的工藝過程不受控，選用此類元器件存在極大的風險。如進口199D固體鉭電解電容器發(fā)生的所有失效，均是介質層缺陷導致，此缺陷可通過工藝過程嚴格控制，或通過篩選剔除。因此，對進口工業(yè)級產(chǎn)品的選用應嚴格控制。

2.1.3 慎選國產(chǎn)未篩選電容器

國內各生產(chǎn)廠的電容器，有時標稱質量等級相同，但各廠對相同質量等級的定義卻不同，篩選和考核試驗不同，甚至某些產(chǎn)品無篩選，這對設計師的選用造成一定困難。如J等級（也稱“普軍”等級）電容器，有些生產(chǎn)廠按國軍標要求執(zhí)行，有些甚至無篩選。

2.1.4 高可靠環(huán)境下優(yōu)先選擇全鉭電容器和高分子固體鉭電容器

全鉭全密封鉭電解電容器與普通銀外殼液體鉭電容器結構基本相同，最大區(qū)別是全鉭液體鉭電解電容器是用鉭外殼作為電容器的引出陰極，避免了由反向電壓或不對稱紋波電流引起的鉭-銀電位差問題，可承受小于3V的反向電壓。同時，其具有性能穩(wěn)定、承受紋波電流和振動沖擊能力強等優(yōu)點，被業(yè)界稱為“永不失效”的電容器。

高分子鉭電解電容器的結構和普通二氧化錳鉭電解電容器基本相同，根本差別在于用導電高分子取代二氧化錳作陰極材料。導電高分子的電導率（1～100 S/cm）遠高于二氧化錳電導率（0.1 S/cm），因此高分子鉭電解電容器具有極低的等效串聯(lián)電阻（ESR），高頻特性好，允許更大的紋波電流，不易引起漏電問題，且失效模式是開路，對整機性能的影響小。

2.1.5 大容量瓷介電容器采用金屬支架連接方式

隨著材料技術的發(fā)展，單個瓷介電容的容量可達100 μF甚至更高，將逐漸替代電解電容器。然而電容器安裝尺寸不變，厚度和重量卻成倍增加，安裝到PCB板后，產(chǎn)生的應力僅通過焊接點釋放，在焊接處會產(chǎn)生較大的應力，易造成電容器端頭和瓷體表面開裂。通常，使用金屬支架瓷介電容器來解決此問題，其結構如圖5所示。瓷介電容器通過高溫焊料與金屬支架連接，金屬支架再與PCB板焊接，因此應用過程中產(chǎn)生的應力可通過支架釋放，此結構具有優(yōu)異的抗熱應力和機械應力特性。

圖5 金屬支架瓷介電容器Fig.5 Metal cap type ceramic capacitors

2.2 電容器檢驗控制

2.2.1 增加片式瓷介電容器機械強度考核

為解決片式瓷介電容器開裂問題，保證電容器機械強度和各批次電容器的一致性，可在周期檢驗中增加端面鍍層結合強度考核。端面鍍層結合強度考核中，將電容器安裝于圖6所示的裝置上，在一定的彎曲狀態(tài)下測試電容量，彎曲結束后檢查瓷體有無裂紋，保證電容器的機械強度達到要求。

圖6 端面鍍層結合強度試驗示意圖（mm）Fig.6 The diagram of bending test（mm）

2.2.2 增加瓷介電容器超聲掃描

在無限均勻的彈性介質中，超聲波以一定的速度沿著固定的方向傳播。當其遇到障礙物（如缺陷）之后，超聲波會與障礙物發(fā)生作用使傳播路線發(fā)生改變。這種相互作用的結果使得缺陷處成為一個新的波源，可把這新的波源當成二次波源，它將向各個方向發(fā)出散射波[6]，檢測散射波即可檢驗出缺陷。

2.2.3 加嚴鉭電解電容器漏電流考核

鉭電解電容器介質層中的缺陷數(shù)量，宏觀上可由電容器漏電流的大小來表示，因此，在某種程度上可以由漏電流大小來反映有缺陷的產(chǎn)品。鉭電解電容器漏電流為：

式中：K是漏電流系數(shù)；U是電壓；C是電容量。

在實際測試中，大部分電容器的漏電流小于0.3 I，只有極少數(shù)電容器的漏電流大于0.5 I，雖然漏電流大于0.5 I符合篩選要求，但在實際應用中，正是這極少數(shù)漏電流大于0.5 I的電容器發(fā)生失效。因此，將鉭電解電容器在常溫和高溫篩選時的漏電流控制在0.5 I和5 I，即可有效剔除極少數(shù)存在安全隱患的電容器。

2.3 電容器應用可靠性控制

2.3.1 電容器應進行電壓降額設計

電容器使用電壓超過額定電壓時，容易破壞介質層，將導致電容器性能劣化，嚴重時甚至產(chǎn)生介質擊穿，特別是鉭電解電容器，電壓過高會使電容器漏電流超標，因此，在航天應用中，電容器必須按GJB/Z 35《元器件降額準則》或產(chǎn)品手冊進行降額設計。對于鉭電解電容器，如使用低阻抗電路和快速充放電電路中，建議使用電壓設定在額定電壓的1/3以下，防止電路中紋波對介質層造成損傷。

2.3.2 高可靠線路中應慎用鉭電解電容器

在設計高可靠線路時，應慎用液體鉭電解電容器。因為液體鉭電容器中有導電酸性液體，若產(chǎn)生漏液，會使印制電路板上線條間產(chǎn)生短路，而且這種液體可分解為氣體，在真空環(huán)境下氣體膨脹易發(fā)生爆炸。

無論固鉭或液鉭，在高可靠環(huán)境中應用時，可采用圖7所示的接法，使兩個電容器串聯(lián)，即使其中一個短路，另一個還可正常工作，以犧牲重量和空間來提高可靠性。

圖7 提高鉭電解電容器可靠性的接法Fig.7 The method for improving the reliability of tantalum electrolytic capacitor

2.3.3 禁止對鉭電解電容器施加反向電壓

鉭電解電容器氧化膜具有單向導電性和整流特性，當施加反向電壓時，會破壞氧化膜的晶向，改變其電導率，結果產(chǎn)生較大的漏電流。若施加的反向電壓過大，甚至會造成電容器擊穿失效。因此，使用中應嚴格控制反向電壓，除全鉭電容器外，不允許施加任何反向電壓，且禁止使用萬用表電阻檔對有鉭電容器的電路或電容器本身進行不分極性的測試（容易施加反向電壓）。

有極性鉭電解電容器必須隔離包裝，因電容器在測試過程中會進行充放電，若測試后放電不充分，在運輸或存儲中接觸其他電容器的負極會進行放電，造成介質膜損傷，所以不允許電容器引線或引出端相互接觸。

在測量、使用過程中，如不慎對非固體鉭電容器施加了反向電壓或對固體鉭電容器、全鉭電容器施加了超過規(guī)定的反向電壓，則該電容器應作報廢處理，因為即使其各項參數(shù)仍然合格，而電容器由反向電壓造成的軟損傷有一定潛伏期，在后期使用中會造成漏電流的增大。

2.3.4 選擇合理的電裝工藝

片式電容器的電裝工藝選擇不當，會在端頭產(chǎn)生機械應力，容易使電容器開裂。片式電容器優(yōu)先推薦回流焊和波峰焊，不宜采用手工焊接，因為手工焊易出現(xiàn)焊錫連接點的焊接溫度、所受應力和焊錫量不同，在電容器端頭易產(chǎn)生機械應力。若采用手工焊接，應控制焊接溫度，PCB板和電容器應采取預熱措施，防止兩者熱膨脹系數(shù)相差大導致焊接后存在機械應力。

除焊接外，PCB板的選擇也至關重要，PCB板材料和結構的不同，電容器的應力也會不同，尤其是金屬印刷電路板（如 AI），因熱膨脹系數(shù)差異較大，貼片電容器開裂的風險增大，選用時應慎重。

3 結束語

隨著航天等高可靠領域中瓷介電容器和鉭電容器的用量逐漸增加，其漏電問題一直影響著工程應用。文章分析了近年來發(fā)生的電容器漏電典型案例，研究了電容器漏電失效機理，從選擇、檢驗和使用角度，提出了一系列改進措施和建議，提高電容器的使用可靠性。

[1] 李標榮, 陳萬平. MLCC之絕緣低壓失效機理 [J]. 電子元件與材料, 1999, 18(4): 32-40.

[2] 李世嵐, 包生祥, 彭晶, 等. 導致 MLCC失效的常見微觀機理 [J]. 電子元件與材料, 2007, 26(5): 58-60.

[3] 唐萬軍, 張世莉, 張建宏. 固體鉭電容的使用可靠性 [J].微電子學, 2008, 38(3): 389-390.

[4] 王魯寧. 固體鉭電容的可靠性篩選研究 [J]. 計算機與數(shù)字工程, 2010, 38(4): 184-186.

[5] TINOCO J C, ESTRADA M, INIGUEZ B, et al. Conduction mechanisms of silicon oxide/titanium oxide MOS stack structures [J]. Microelectron Reliab, 2008, 48(3): 370-381.

[6] 王少軍, 俞厚德, 錢耀洲, 等. 基于超聲散射法的微小缺陷及近表面缺陷的檢測 [J]. 無損檢測, 2014(1): 49-53.

（編輯：曾革）

Research for common leakage failure modes of capacitors and suggestions for application

CUI Desheng, CHEN Zhaojie, PENG Lei, XIONG Shengyang, GAO Jingnan
(Electronic Components Technology Center, CALT, Beijing 100076, China)

A typical case of capacitor leakage fault in recent years was analyzed. The failure mechanism of ceramic capacitors and tantalum electrolytic capacitors were studied. The analysis show that the main causes of leakage current are metal migration and the defects in medium layer. Then a series of selection recommendations, inspection standards and application requirements are proposed from the view of selection, inspection and reliability, in order to improve the reliability of application for aerospace application and other high reliable fields.

ceramic capacitor; tantalum electrolytic capacitors; leakage; reliability; selection; aerospace

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.009

TM53

A

1001-2028（2017）09-0038-05

2017-06-19

崔德勝

崔德勝（1986－），男，遼寧大連人，工程師，主要從事元器件質量保證和可靠性研究，E-mail: cds1210@163.com 。

時間：2017-08-28 11:09

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1109.009.html