國產(chǎn)電容器的質(zhì)量評價(jià)方法

張永華，曲芳，何滸澄

（江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇無錫 214083）

0 引言

在電路設(shè)計(jì)中，電容器承擔(dān)了維持電壓穩(wěn)定、抑制高頻噪聲以及交流耦合等多種功能[1]，在各類電子設(shè)備中均獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著元器件國產(chǎn)化的持續(xù)推進(jìn)，越來越多的國產(chǎn)電容器產(chǎn)品開始出現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)工程師的視野之中。但與此同時(shí)，多數(shù)工程師由于長期以來對于進(jìn)口電容器產(chǎn)品的質(zhì)量都采取了“完全信賴”的態(tài)度，少有開展對其綜合質(zhì)量考核的案例，這就造成了在開展國產(chǎn)電容器的質(zhì)量和可靠性評價(jià)時(shí)面臨缺少規(guī)范性的質(zhì)量評價(jià)體系以及成熟的評價(jià)方法積累的困境。

信息領(lǐng)域應(yīng)用中較為常見的電容器類型是陶瓷介質(zhì)電容器和鉭電解電容器，本文分析和探討了如何對其質(zhì)量和可靠性進(jìn)行有效的評價(jià)，同時(shí)結(jié)合課題組開展國產(chǎn)電容器的應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，著重闡明了如何確保電容值測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，以及國產(chǎn)陶瓷電容和鉭電容在使用中需要注意的關(guān)鍵事項(xiàng)。

1 國產(chǎn)電容器的質(zhì)量檢測和可靠性評價(jià)方法

1.1 評價(jià)體系設(shè)計(jì)

在開展國產(chǎn)電容器的質(zhì)量評價(jià)時(shí)，應(yīng)遵循有效性和可操作性的原則，將重點(diǎn)放在元器件的性能和穩(wěn)定性上。在評價(jià)體系設(shè)計(jì)時(shí)，按照不同的側(cè)重方向，總體上可分為物理性能檢驗(yàn)、電性能測試和可靠性試驗(yàn)3個部分[2]，國產(chǎn)電容器質(zhì)量和可靠性評價(jià)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。在選擇具體試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)條件時(shí)，可在參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2693—2001《電子設(shè)備用固定電容器第1部分：總規(guī)范》以及GJB 360B—2009《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際使用情況綜合確定。

圖1 國產(chǎn)電容器質(zhì)量和可靠性評價(jià)總體設(shè)計(jì)

1.2 物理性能檢驗(yàn)

物理性能檢驗(yàn)主要用于考核電容器的電子組裝適應(yīng)性以及裝聯(lián)后的機(jī)械強(qiáng)度等，具體試驗(yàn)方法和判定依據(jù)參考表1。

表1 國產(chǎn)電容器物理性能檢驗(yàn)方法和判據(jù)

外觀檢驗(yàn)和外形尺寸測量是物理性能檢驗(yàn)的基本項(xiàng)目，主要用于檢驗(yàn)元器件的包裝和外觀是否合規(guī)，以及考核批次性加工、外形一致性管控的能力。所有物理性能檢驗(yàn)中最重要的是可焊性檢驗(yàn)，該項(xiàng)目可有效避免“陳舊”的元件或儲存環(huán)境不佳的元件流入電裝工序，導(dǎo)致焊接不良現(xiàn)象的產(chǎn)生，典型可焊性不良示例如圖2 所示。結(jié)合強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度檢驗(yàn)需要設(shè)計(jì)單獨(dú)的試驗(yàn)板或在PCBA 板上進(jìn)行，僅對有機(jī)械強(qiáng)度要求的場景視情況開展，或直接進(jìn)行板級機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)（如隨機(jī)振動、機(jī)械沖擊等）。

圖2 可焊性不良

1.3 電性能測試

電性能測試主要用于評價(jià)電容器的基本電性能是否滿足要求以及電容器的電性能參數(shù)隨溫度或頻率變化的情況，測試方法和判定依據(jù)如表2 所示。

表2 國產(chǎn)電容器電性能測試方法和判據(jù)

電容器的電性能參數(shù)測量結(jié)果與測試電壓和測試頻率直接相關(guān)，測試時(shí)需要確保儀器測量參數(shù)的準(zhǔn)確性。電容器的電容值通常會隨著溫度的升高逐漸增大，并且對于鉭電解電容來講更為明顯，部分國產(chǎn)型號的鉭電容在85 ℃時(shí)電容值變化率甚至超過了50%，因此對于有特殊溫度環(huán)境應(yīng)用的場景需要特別注意。

電容值溫度系數(shù)TC的計(jì)算公式為[3]

式中：室溫T1=25 ℃；T2為高溫；C1為T1下測量的電容值；C2為T2下測量的電容值。

1.4 可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)的目的是評價(jià)電容器的環(huán)境適應(yīng)性和長期使用可靠性，詳細(xì)試驗(yàn)條件和判定依據(jù)如表3所示。

表3 國產(chǎn)電容器可靠性試驗(yàn)方法和判據(jù)

可靠性試驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)需要結(jié)合電容器的材料、預(yù)期的使用環(huán)境條件以及壽命要求等多種因素共同確定。參考可靠性試驗(yàn)壽命預(yù)計(jì)模型[5]，電容器的可靠性試驗(yàn)壽命預(yù)計(jì)如表4 所示。

不同的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目會加速電容器產(chǎn)生不同的失效模式，表4 中所列預(yù)計(jì)壽命為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算出的估計(jì)值。

2 國產(chǎn)電容器驗(yàn)證評價(jià)中的典型問題分析

2.1 高容量陶瓷電容的電容值準(zhǔn)確測量問題

近年來，隨著工藝技術(shù)的改進(jìn)，陶瓷貼片電容的可制造電容值持續(xù)增大，并且在部分領(lǐng)域已可以替代鉭電容，達(dá)到節(jié)約電路成本的目的。行業(yè)通常將電容值不小于10 μF 的陶瓷電容視為高容量陶瓷電容。在測量高容量陶瓷電容時(shí)，時(shí)常會遇到測量結(jié)果超出元器件手冊中電容值允許偏差（通常為±20%）上下限的情況，此時(shí)在判定測量結(jié)果不合格之前，需要先確認(rèn)使用的測量方法和選擇的測量模式是否正確。

在開展高容量陶瓷電容器電容值測量時(shí)，需要注意測量儀器的測試電壓設(shè)定值與實(shí)際施加在電容器兩端的電壓值由于測量模式選擇的不同可能存在較大差別，并引起測量結(jié)果的巨大偏差。LCR 不同測量模式結(jié)果如圖3 所示，相同的100 μF 電容器樣品，當(dāng)使用LCR 測試儀默認(rèn)的V（開路電壓）測量模式時(shí)，測量值為80.78 μF，而當(dāng)使用LCR 測試儀的CV（恒定電平）模式時(shí)，測量值為91.77μF。

圖3 LCR 不同測量模式結(jié)果

上述現(xiàn)象的發(fā)生，主要是由于高容量陶瓷電容器在標(biāo)準(zhǔn)測量條件下的阻抗與儀器的輸出阻抗差別較大，導(dǎo)致儀器的輸出電壓僅有小部分真正施加在了待測電容器（DUT）的兩端。如圖3 所示，在V 模式下，0.5 V 的儀器輸出電壓僅有0.095 V 真正施加在了DUT 兩端；而在CV 模式下，LCR 測試儀內(nèi)置的“電壓補(bǔ)償”功能可保證正確的電壓施加在DUT 上。因此，在開展大容量陶瓷電容測試時(shí)，在確認(rèn)測試儀設(shè)定電壓和設(shè)定頻率正確的同時(shí)，建議使用萬用表測量DUT兩端的實(shí)際電壓值，確保不低于設(shè)定值的80%，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖4 展示了不同測試電壓下，耐焊接熱試驗(yàn)后的樣品電容值的測量結(jié)果。

2.2 高容量陶瓷電容的電容值持續(xù)下降問題

高容量陶瓷電容器在測試過程中存在的另一個問題是，即使采用了CV 測量模式，其電容值的測試結(jié)果與標(biāo)稱值相比仍可能會存在明顯的偏低現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的發(fā)生，是由于在常溫環(huán)境下高電容值陶瓷電容器（主要材料為BaTiO3）電容值會隨著時(shí)間的延長而逐漸減小，這稱為陶瓷電容的“自發(fā)極化”現(xiàn)象；但是，當(dāng)陶瓷電容器加熱到125 ℃（如焊接操作）以上時(shí)，其電容值會近似恢復(fù)至初始狀態(tài)，這稱為電容器的“去老化”現(xiàn)象；在這之后，當(dāng)電容溫度降低至常溫時(shí)，新一輪的“自發(fā)極化”現(xiàn)象又將重新開始，電容值持續(xù)降低。100 μF 陶瓷電容器在預(yù)處理（150 ℃烘烤2 h）前后的電容值測試結(jié)果如表5 所示。

表5 高容量陶瓷電容器預(yù)處理前后電容值測試結(jié)果

預(yù)處理和耐焊接熱試驗(yàn)都可以促使高容量陶瓷電容器“去老化”，使電容器的電容值恢復(fù)。為進(jìn)一步驗(yàn)證和分析高容量陶瓷電容器的“自發(fā)極化”現(xiàn)象，選擇某一型號100 μF 陶瓷電容進(jìn)行如下試驗(yàn)：

1）隨機(jī)抽取10 片樣品，先進(jìn)行預(yù)處理（150 ℃烘烤2 h），然后測量電容器的電容值；

2）隨機(jī)抽取10 片樣品，先進(jìn)行耐焊接熱試驗(yàn)（260 ℃，浸錫10 s），然后測量電容器的電容值；

3）將上述20 片電容器置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下貯存，并不定期進(jìn)行電容值的復(fù)測（詳細(xì)測量結(jié)果見表6、7），最后繪制出電容值隨時(shí)間的變化曲線，如圖5、6 所示。

表6 預(yù)處理后電容值測量結(jié)果隨時(shí)間變化

表7 耐焊接熱試驗(yàn)后電容值測量結(jié)果隨時(shí)間變化

圖5 100 μF 電容預(yù)處理后電容值隨時(shí)間的變化曲線

圖6 100 μF 電容耐焊接熱試驗(yàn)后電容值隨時(shí)間的變化曲線

由圖5、6 可知：

1）100 μF 陶瓷電容器的電容值在高溫（溫度高于125 ℃）處理后，其電容值會近似恢復(fù)至初始狀態(tài)；

2）100 μF 陶瓷電容器的電容值會隨著時(shí)間的延長持續(xù)減小，并且時(shí)間越長，電容值越??；

3）電容值減少的趨勢是先快后慢；當(dāng)時(shí)間超過2 000 h 后，電容值變化的速率已非常緩慢。

對于大容量陶瓷電容器，電子裝聯(lián)后其電性能為最優(yōu)狀態(tài)，但隨著使用時(shí)間的延長，其電容值會持續(xù)減少，甚至低于手冊中的下限（標(biāo)稱值的80%）要求。因此，建議電路工程師在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到高容量陶瓷電容器的這一特性。為保證測試結(jié)果不受器件儲存時(shí)間的影響，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，建議采用下述測試方法：

1）對于大容量陶瓷電容器（≥10 μF），首先在150 ℃下烘烤2 h，然后再進(jìn)行電性能測量；

2）對于小容量陶瓷電容器（＜10 μF），可直接進(jìn)行電性能測量。

2.3 鉭電容的潮濕敏感性問題

片式鉭電容由粉末狀的微小顆粒壓制燒結(jié)而成，其內(nèi)部為微孔結(jié)構(gòu)，這為潮氣提供了附著空間。隨著空氣中的水分子運(yùn)動，水汽會沿濃度梯度方向向鉭電容的各個界面擴(kuò)散，這就是鉭電容吸潮現(xiàn)象的原因[6]。而國產(chǎn)鉭電容由于材料等方面的原因，相比于進(jìn)口鉭電容，其吸濕性表現(xiàn)更為明顯。如某國產(chǎn)元器件詳細(xì)規(guī)范中，對國產(chǎn)鉭電容穩(wěn)態(tài)濕熱測試后的電容值變化要求為“-20%≤ΔC/C≤40%”，而進(jìn)口鉭電容的要求為“-10%≤ΔC/C≤10%”。

為進(jìn)一步驗(yàn)證國產(chǎn)鉭電容在使用過程中的吸濕性，選擇1 000 μF 鉭電容，在溫度為40 ℃、RH 為90%～95% 的濕熱箱中連續(xù)加電（0.5 V 額定電壓）工作1 000 h，在試驗(yàn)后測量電容值的變化情況，并與不加電工作的狀態(tài)下的測量結(jié)果進(jìn)行對比，如表8所示。

表8 鉭電容的吸濕敏感性測量結(jié)果

由表8 可知，在加電工作狀態(tài)下，鉭電容的吸濕性會相對減弱，電容值變化率相對較低。吸濕后鉭電容的電容值雖然控制在了標(biāo)稱電容值的±20%之內(nèi)，未對電路的性能造成較大的影響，但當(dāng)受到浪涌電壓或尖峰電流的影響時(shí)，卻會增大電容短路失效的風(fēng)險(xiǎn)，這對于使用環(huán)境中濕度較高的情況需要格外注意。

2.4 電容器的開裂問題

陶瓷電容器和鉭電容器都使用了脆性材料，因此由于過應(yīng)力引起的“開裂失效”已成為電容器最易出現(xiàn)的失效模式之一，典型失效示例如圖7 所示。電容器應(yīng)力的來源主要包括3 個方面：機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力和電應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力主要來源于裝配過程，熱應(yīng)力主要來源于焊接過程，而電應(yīng)力主要來源于電路中的信號脈沖尖峰。

圖7 電容器開裂失效

元器件的可靠性包括了元器件本身的固有可靠性以及使用可靠性兩部分。通過抗彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)、耐焊接熱試驗(yàn)、溫度沖擊試驗(yàn)和介質(zhì)耐電壓試驗(yàn)，可以對電容器的耐過應(yīng)力能力進(jìn)行初步的“符合性”考核，即完成對電容器固有可靠性的考核。但電容器開裂問題的發(fā)生，多是由電路板布局隱患、工藝管控不良以及使用不當(dāng)?shù)纫蛩匾鸬?，因此如何降低電容器在使用過程中的外部應(yīng)力，防止過應(yīng)力現(xiàn)象的發(fā)生，對于提高電容器的可靠性更為重要。

3 結(jié)束語

開展國產(chǎn)元器件應(yīng)用驗(yàn)證，通過各種測試和試驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)元器件的潛在缺陷和邊界性能，以指導(dǎo)實(shí)際使用，是各類國產(chǎn)元器件選型前的重要準(zhǔn)備工作。本文以國產(chǎn)電容器為例，分析了其質(zhì)量評價(jià)的方法、準(zhǔn)則以及測試和使用時(shí)的注意事項(xiàng)，希望能為相關(guān)領(lǐng)域工程師開展國產(chǎn)元器件的質(zhì)量評價(jià)工作提供借鑒參考，拓展驗(yàn)證思路。