基于失效模式的多層瓷介電容器通用規(guī)范解讀

蔡娜 田智文 崔德勝 楊東偉 郭海明

（1中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京， 100071；2中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院物資中心，北京， 100076；）

1 瓷介電容器產(chǎn)品特性分析

多層瓷介電容器（以下簡(jiǎn)稱“瓷介電容器”）是目前電子設(shè)備中使用最廣泛的一種電容器，占整個(gè)電容器使用數(shù)量的50%左右。瓷介電容器由陶瓷介質(zhì)和金屬電極交互疊層構(gòu)成，其中交替又不相連的內(nèi)電極分別與兩端的外電極相連形成多個(gè)電容器并聯(lián)結(jié)構(gòu)。軍用瓷介電容器主要采用鈦酸鋇為主體的瓷粉材料做介質(zhì)材料和鈀銀為內(nèi)電極材料，近來也開始采用鎳、銅等金屬作為內(nèi)電極。

瓷介電容器耐熱性能好、絕緣性能優(yōu)良、體積小、比容大、壽命長(zhǎng)、可靠性高，在軍用裝備中大量應(yīng)用。瓷介電容器按介質(zhì)材料分為兩類，即1類和2類。按工作電壓又可分為高壓瓷介電容器和低壓瓷介電容器。瓷介電容器的外形結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，常見的有圓片形、管形、穿心式、筒形以及疊片式等。

1類瓷介電容器的介電常數(shù)一般小于100，溫度系數(shù)小，基本上不隨溫度、電壓、時(shí)間的改變而變化，該類瓷介電容器的損耗在很寬的范圍內(nèi)隨頻率的變化很小，并且高頻損耗值很小，電氣性能穩(wěn)定，屬超穩(wěn)定、低損耗的電容器介質(zhì)材料，常用于對(duì)穩(wěn)定性、可靠性要求較高的高頻場(chǎng)合。但由于該類陶瓷材料的介電常數(shù)較小，因此其容量值難以做高。

2類瓷介電容器的介電常數(shù)一般大于1000，此類材料特點(diǎn)在于介電常數(shù)大，電容器可以做到很大容量，容量范圍寬，但頻率特性和溫度特性較差，容量會(huì)隨著溫度、頻率、外加電壓的變化而變化，容量穩(wěn)定性以及損耗與1類瓷介電容器相比較差。因此適合于對(duì)容量、損耗和溫度特性要求不高的低頻電路做旁路、耦合、濾波等電路使用。

表征電容器產(chǎn)品特性的主要參數(shù)指標(biāo)有電容量、介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻、損耗角正切等。具體包括以下。

a）電容量：指電容器設(shè)計(jì)確定的和通常在電容器上所標(biāo)出的電容量值。

b）介質(zhì)耐電壓：在規(guī)定條件和時(shí)間內(nèi)，介質(zhì)承受電壓作用而不發(fā)生擊穿與飛弧的能力。

c）絕緣電阻：電容器引出端之間的直流電阻值，它是對(duì)電容器在額定直流電壓作用下介質(zhì)抗漏電流能力的度量。

d）損耗角正切：是在規(guī)定頻率的正弦電壓下，電容器的損耗功率除以電容器的無功功率。

2 瓷介電容器失效模式及失效機(jī)理研究

瓷介電容器的失效模式主要有：開路、短路和參數(shù)漂移。

2.1 開路失效

開路失效的出現(xiàn)概率低于短路失效，會(huì)造成電容值消失，但不會(huì)造成絕緣下降，在一些電路中可能不會(huì)影響整機(jī)設(shè)備的正常工作，其產(chǎn)生原因包括2個(gè)方面：一是產(chǎn)品固有缺陷即端電極的附著強(qiáng)度不夠，造成端電極與瓷體的脫落，內(nèi)、外電極不能正常連接。因此在產(chǎn)品規(guī)范的考核項(xiàng)目中會(huì)開展“引出端強(qiáng)度”試驗(yàn)考核。二是使用過程中引入外力作用而使電容器瓷體斷裂，此類失效主要發(fā)生于片式瓷介電容器。因此在產(chǎn)品規(guī)范的考核項(xiàng)目中會(huì)在“溫度沖擊、振動(dòng)、沖擊”等試驗(yàn)后進(jìn)行外觀檢查和電容量測(cè)試。

2.2 參數(shù)漂移

參數(shù)漂移失效模式主要有容值變化、絕緣電阻變化及損耗變化等。產(chǎn)生的原因有產(chǎn)品生產(chǎn)過程引入的缺陷，也有使用不當(dāng)造成的。生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)可能產(chǎn)生分層、空隙、內(nèi)電極結(jié)瘤等固有缺陷，造成參數(shù)漂移或在工作一定時(shí)間后發(fā)生參數(shù)漂移；在使用過程中引入的外界因素，如助焊劑殘留、表面污染、貯存環(huán)境不當(dāng)?shù)龋矔?huì)使瓷介電容器參數(shù)漂移。

2.3 短路失效

短路失效是瓷介電容器較多發(fā)生的失效模式，會(huì)造成絕緣下降甚至是部分設(shè)備燒毀，一般對(duì)設(shè)備整機(jī)影響較大，是設(shè)計(jì)人員最擔(dān)心出現(xiàn)的失效現(xiàn)象，其產(chǎn)生的原因也是多樣的。經(jīng)分析，產(chǎn)生短路失效的原因主要包括2類。

2.3.1 電容器存在的固有缺陷

a）分層：電容器常見的固有缺陷之一是其內(nèi)部存在分層，是在電容器生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的。瓷介電容器是由印有金屬電極的陶瓷介質(zhì)膜疊層后在高溫下燒結(jié)而成的，如果陶瓷介質(zhì)與內(nèi)電極的匹配不好，排膠與燒結(jié)的溫度曲線設(shè)置不合理，將會(huì)產(chǎn)生電容器電極與介質(zhì)間分層。

b）電極結(jié)瘤：電容器的耐電壓能力直接由電容器介質(zhì)的有效厚度決定，電容器內(nèi)電極結(jié)瘤會(huì)引起局部介質(zhì)變薄，導(dǎo)致該位置耐壓能力弱，成為容易失效的薄弱點(diǎn)。

c）介質(zhì)存在孔洞：由于多層瓷介電容器的介質(zhì)為陶瓷材料，這種材料是由金屬氧化物粉末和粘合劑混合后通過流延制作成薄膜后再燒結(jié)而成。如果流延膜存在氣泡，燒結(jié)后在瓷體內(nèi)部可能會(huì)形成超標(biāo)的空洞，長(zhǎng)期通電過程中空洞處漏電流增加，電容器產(chǎn)生的熱能大于其散發(fā)熱能，形成熱量積累，導(dǎo)致電容器內(nèi)部的溫度升高，造成介質(zhì)損耗增加，這又繼續(xù)引起溫度升高形成正反饋，使內(nèi)電極金屬溶融并遷移，漏電流超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)介質(zhì)會(huì)燒焦。

d）端電極缺陷：多層瓷介電容器的最內(nèi)層端電極是通過將端頭浸入端漿材料后再燒端而制成，在涂端和燒端的過程中端電極內(nèi)部可能因工藝控制不到位而產(chǎn)生孔洞等缺陷，可能導(dǎo)致電容器失效或損耗增大。

2.3.2 使用過程中引起的短路失效

a）機(jī)械應(yīng)力：瓷介電容器安裝后破裂是常見的失效現(xiàn)象，常見原因之一是電容器受到外界過大的機(jī)械應(yīng)力所致，而機(jī)械應(yīng)力一般由于電路板彎曲引起。過強(qiáng)或過急彎曲電路板使兩焊接點(diǎn)產(chǎn)生相反方向的機(jī)械應(yīng)力，在電容器最弱的位置（一般在瓷體和端頭的交接點(diǎn)）容易產(chǎn)生裂縫。該裂縫初期可能很細(xì)而沒有穿透相鄰的內(nèi)電極，常規(guī)測(cè)試一般都不能發(fā)現(xiàn)，經(jīng)溫度循環(huán)和振動(dòng)后，微裂紋可能繼續(xù)擴(kuò)大[1]。如果在使用時(shí)對(duì)產(chǎn)生裂紋的電容器兩端施加電壓，電場(chǎng)會(huì)使相鄰內(nèi)電極材料沿裂紋處遷移[2]，電容器絕緣電阻下降，漏電流增大，最終表現(xiàn)為短路。

b）熱應(yīng)力：陶瓷電容器由于其制造工藝上的特點(diǎn)，能承受相當(dāng)高的溫度，一般介質(zhì)材料在1100℃至1200℃燒結(jié)，因此能承受很高的溫度而元件無損傷性缺陷，但不能使產(chǎn)品經(jīng)受突然的或不一致的溫度變化，它會(huì)因熱沖擊而失效。

c）電應(yīng)力：對(duì)于電源輸出端來說，一般情況下電壓較低（例如15V、12V、5V等等），電壓比較穩(wěn)定，很少出現(xiàn)尖峰電壓，風(fēng)險(xiǎn)較低。但是對(duì)于電源的輸入端，一般情況下電壓較高（例如28V），電壓波動(dòng)范圍較寬，噪聲的尖峰電壓也可能會(huì)很高，會(huì)超過電容器的額定電壓，使電容器電擊穿，產(chǎn)生短路失效。

3 產(chǎn)品規(guī)范中考核項(xiàng)目設(shè)計(jì)解讀

基于瓷介電容產(chǎn)品本身特性及其特有的失效模式和機(jī)理，設(shè)計(jì)了瓷介電容器產(chǎn)品規(guī)范中相應(yīng)的試驗(yàn)考核項(xiàng)目，目的是驗(yàn)證產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性滿足要求的能力。本文選取了《有失效率等級(jí)的無包封多層片式瓷介固定電容器通用規(guī)范》 《1類瓷介固定電容器通用規(guī)范》 《2類瓷介固定電容器通用規(guī)范》 《高可靠瓷介固定電容器通用規(guī)范》等4個(gè)瓷介電容器通用規(guī)范進(jìn)行分析。表1列出了4個(gè)通用規(guī)范給出的鑒定檢驗(yàn)項(xiàng)目表。

表1 4個(gè)通用規(guī)范鑒定檢驗(yàn)項(xiàng)目匯總表

固有缺陷引起的失效：由于產(chǎn)品本身缺陷引起的短路、開路和參數(shù)漂移等失效，在過程控制和篩選中設(shè)計(jì)了“X射線檢查、超聲掃描、破壞性物理分析（DPA）”等檢驗(yàn)項(xiàng)目，并測(cè)試產(chǎn)品“電容量、介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻、損耗角正切”等是否滿足要求。

應(yīng)用過程中引起的失效：由于力、熱、電等應(yīng)力及高低溫、潮濕等應(yīng)用條件及相關(guān)環(huán)境可能引起的電容器失效，在產(chǎn)品考核試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了“電壓處理、介質(zhì)耐電壓、溫度沖擊和浸漬循環(huán)、耐焊接熱、耐濕、鹽霧、穩(wěn)態(tài)濕熱 （低電壓）、壽命 （在高溫下）、低氣壓、密封、霉菌、耐溶劑、引出端強(qiáng)度、耐焊接熱、可焊性”等考核項(xiàng)目，驗(yàn)證產(chǎn)品的環(huán)境適用能力，這些試驗(yàn)項(xiàng)目均在表1不同規(guī)范中有所體現(xiàn)。

a）壽命：高溫額定電壓下工作1000h以上，驗(yàn)證產(chǎn)品的工作可靠性，是至關(guān)重要的一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。

b）溫度特性（溫度系數(shù)）：指在一定的溫度范圍內(nèi)電容量隨溫度變化量。1類瓷容量隨溫度變化很小，穩(wěn)定性好。2類瓷容量隨溫度變化較大。溫度特性是電容器的一個(gè)重要特性，需要根據(jù)不同的溫度特性進(jìn)行選用。

c）可焊性：基于可能出現(xiàn)的接觸不良失效模式，模擬了貯存條件下自然老化對(duì)引出端焊料層的影響，對(duì)引出端焊料層進(jìn)行考核。

d）引出端強(qiáng)度：基于可能出現(xiàn)的脫焊、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等失效，檢驗(yàn)引出端對(duì)外界應(yīng)力的適應(yīng)性。

e）耐焊接熱：主要是模擬實(shí)際焊接過程，檢驗(yàn)焊接熱量是否會(huì)對(duì)電容器內(nèi)部焊料、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

f）力學(xué)試驗(yàn)：對(duì)于武器裝備應(yīng)用環(huán)境較惡劣，設(shè)計(jì)有“振動(dòng)、沖擊、耐濕、溫度沖擊和浸漬項(xiàng)目”等試驗(yàn)項(xiàng)目，其中振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)主要檢驗(yàn)電容器結(jié)構(gòu)是否會(huì)松動(dòng)、能否造成脫焊、接觸不良等試驗(yàn)。

g）穩(wěn)態(tài)濕熱（低電壓）：是瓷介電容器需要特別關(guān)注的試驗(yàn)項(xiàng)目，特別是在高可靠應(yīng)用時(shí)，因?yàn)榈碗妷菏У臋C(jī)理是漏電流增大，在較大濕度情況下，由于瓷介電容器為非密封器件，會(huì)導(dǎo)致潮氣滲入，在電容兩端電極加電壓時(shí)，滲入的潮氣會(huì)使介質(zhì)層中產(chǎn)生漏電流，漏電流較大時(shí)，可能使電容器產(chǎn)生大量的熱量而發(fā)生短路擊穿，這個(gè)現(xiàn)象在濕度儲(chǔ)存試驗(yàn)后加電運(yùn)行時(shí)最容易出現(xiàn)。

4 結(jié)論與建議

產(chǎn)品規(guī)范是驗(yàn)證與檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的重要依據(jù)，為確保產(chǎn)品規(guī)范內(nèi)容的科學(xué)性和合理性，產(chǎn)品規(guī)范中試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要基于產(chǎn)品特性和產(chǎn)品特有的失效模式，不能簡(jiǎn)單的照搬照抄其他規(guī)范。

基于產(chǎn)品失效模式開展標(biāo)準(zhǔn)正向設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能性能、質(zhì)量可靠性、環(huán)境適應(yīng)性檢驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)考慮樣品分配經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)判斷相對(duì)獨(dú)立等因素。通過本文對(duì)瓷介電容器通用規(guī)范的剖析，驗(yàn)證和實(shí)踐了此種設(shè)計(jì)思路的可行性，為后續(xù)開展新類別通用規(guī)范的設(shè)計(jì)提供參考。

基于失效模式解讀產(chǎn)品通用規(guī)范，對(duì)于產(chǎn)品規(guī)范的認(rèn)識(shí)要做到 “知其然，也知其所以然”，才能正確合理地選用和實(shí)施通用規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)合理剪裁原則，從產(chǎn)品本身的特性出發(fā)，分析產(chǎn)品的可能失效機(jī)理，考慮產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目的合理增補(bǔ)或刪減。在支撐產(chǎn)品質(zhì)量的提升的同時(shí)，兼顧產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)特性，更好地發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)效能。