片式鉭電解電容在武器型號上的失效分析概述

劉后培 周宏 雷丁勇 潘超群 郭培培 劉永杰

摘要：本文武器型號中最常用的鉭電解電容器的失效模式出發(fā)，大概闡述了三類常見的失效模式。對應(yīng)于不同的失效模式，大概給出了失效分析的方法與判定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鉭電容器；武器型號；失效分析

引言

鉭電解電容器是1956年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首先研制成功，由于具有耐高溫、壽命長、體積小、功能穩(wěn)定、精確度高、濾高頻性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛使用。金屬鉭作為陽極材料，鉭金屬表面生成的極薄的五氧化二鉭膜作為介質(zhì)，和陰極結(jié)合成一個(gè)完整的電容器。鉭電容器應(yīng)用于濾波、交流旁路、能量貯存與轉(zhuǎn)換，記號旁路，耦合與退耦等電路中。鉭電容器在已經(jīng)通信、航空航天、武器裝備、工業(yè)控制，通訊儀表等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。

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。在討論破壞性分析之前，有必要在不進(jìn)一步損壞電容器的條件下盡可能多的獲取有關(guān)鉭電容器的物理和電性能的數(shù)據(jù)。找到與電容器有關(guān)的背景信息和使用條件，例如需要分析鉭電容的貼裝、貯存、使用參數(shù)、環(huán)境條件、無故障工作時(shí)間等等，要盡可能多的收集并進(jìn)行分析，單一數(shù)據(jù)一般很推斷出電容器失效的根本原因。由于使用條件或是生產(chǎn)異常所引起的電容器失效是非常相似的。

失效分析是包括對電路和應(yīng)用條件的一種全面的因果分析。本文主要對片式鉭電解電容器的武器型號中常見的失效情況進(jìn)行概述。

1、非破壞性分析方法

一般地，在電路板上對失效電容器進(jìn)行檢查。首先要確定電容器的安裝極性是正確的。其次，檢查電容器的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。電容器的外部檢查一般使用立體顯微鏡。立體顯微鏡能顯出諸如模塑環(huán)氧的裂縫、褪色、熱/機(jī)械損傷、返工等缺陷。外部缺陷是可能導(dǎo)致鉭電容器失效的原因之一，但是它也有可能掩蓋鉭電容器失效的真正原因。X光檢測可以檢查電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其任何異常狀態(tài)（陽極未對準(zhǔn)，弱正極或是負(fù)極接觸等）。隨著X光斷層照相術(shù)的提高，X光檢查已經(jīng)成為分析電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種有益工具。

對于電容器電性能，要做的第一件事就是用萬用表檢查鉭電容器的直流電阻，目的是使有效電流保持在很低的水平。小于∞的直流電流表明電容器具有高電流或處于短路狀態(tài)。接著，在適當(dāng)頻率下使用LCR測試儀在0.5 V rms或1V rms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。

2高漏電流/短路失效

漏電流，是對電容器施加額定直流工作電壓，將觀察到充電電流的變化，開始很大，隨著時(shí)間而下降，到某一終值時(shí)達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài)，這一終值電流稱為漏電流。

漏電流反映的是鉭電容五氧化二鉭膜的絕緣質(zhì)量，理想中的電容介質(zhì)應(yīng)是完美無缺的薄膜，它的絕緣電阻可達(dá)幾百兆以上。而實(shí)際上如圖2所示，五氧化二鉭膜表面存在各種微小的疵點(diǎn)、空洞以及隙縫之類的缺陷，漏電流就是雜質(zhì)離子和電子通過這些缺陷的電流。如果電流較大，在試驗(yàn)的高應(yīng)力下，電應(yīng)力集中，電流密度大，使疵點(diǎn)周圍的氧化膜“晶化”，擴(kuò)大了疵點(diǎn)面積，介質(zhì)質(zhì)量進(jìn)步惡化，絕緣電阻下降，漏電流增加。當(dāng)漏電流增加到超過技術(shù)規(guī)范的規(guī)定值，造成電容失效。有時(shí)漏電流變得無窮大，實(shí)際介質(zhì)膜已擊穿，電容完全失去了作用。在討論電容失效機(jī)理時(shí)，從理論上講三個(gè)參數(shù)都可能失效，實(shí)際上，漏電流變大，才是電容器致命的失效。如果使用了漏電流大的而鉭電容（如在整機(jī)上），導(dǎo)致整機(jī)不能工作，甚至燒毀部分線路。在鉭電容試驗(yàn)項(xiàng)目中的質(zhì)量問題中，有90%以上都集中在漏電流變大的問題上。

如果電容器具有小于∞的DCR，說明在電容器的正負(fù)極之間存在導(dǎo)電路徑。假設(shè)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(zhì)層已經(jīng)被損壞），要么旁路鉭陽極塊，在正負(fù)極之間形成了導(dǎo)電路徑。檢查電容器時(shí)，要確保在外部不存在電路橋。

在進(jìn)行破壞性分析之前，了解電容器內(nèi)部的失效點(diǎn)位置是非常有益的。特別是對于大殼號和多陽極鉭電容器來說。電容器耐受了額定電壓，并在短時(shí)間內(nèi)施加了非常少量的電流，可以在電容器的熱成像圖上顯示出來。在失效點(diǎn)的內(nèi)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(jié)合使用可以精確的定位出失效部位。這種方法增加失效分析成功幾率，并可縮短失效分析的時(shí)間。然后橫切電容器直到失效點(diǎn)，陽極和陰極的任何異常都能分析到。如果電容器在存在外形異常，其DCR一般在幾百千歐到幾百兆歐這樣的范圍內(nèi)，不會觀察到熱量點(diǎn)，為確保產(chǎn)品真的具有高漏電流，應(yīng)該在額定電壓下進(jìn)行測量。

這種失效模式，要檢查鉭陽極的完整性和電介質(zhì)的質(zhì)量，就要使用化學(xué)的方法對鉭電容器進(jìn)行剝離。電介質(zhì)中的瑕疵，例如圖所示的結(jié)晶氧化物，可以通過剝離電極層的方式進(jìn)行檢查。結(jié)晶氧化物瑕疵點(diǎn)削弱了無定形電介質(zhì)，從而提供出一個(gè)導(dǎo)電通道。少量存在疵點(diǎn)可通過鉭電容器的自愈機(jī)理將其隔離。與此相同的是，結(jié)晶氧化物在高壓電容器（一般35V及其以上）中更加顯著，疵點(diǎn)增多至一定數(shù)量會引起電容器性能異常。在過去幾年中，已經(jīng)開發(fā)出了一些方法來減小或是消除結(jié)晶氧化物的生長。

3 高ESR失效

引起高ESR值的原因主要分成兩類：連接不良或是材料電阻率的增加。再一個(gè)，在進(jìn)行破壞性分析之前，必須要在適當(dāng)?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(diǎn)上存在的保形涂料或助焊劑、不合適的焊料、端子/焊接點(diǎn)的氧化、不合適的探針等都可能造成ESR值偏高。

電容器在貯存、貼裝、焊接和使用過程中，受到的機(jī)械/熱應(yīng)力會影響ESR值。這類應(yīng)力影響外部或內(nèi)部的電連接，導(dǎo)致高ESR。

當(dāng)電容器處于高溫高濕的環(huán)境中時(shí)，會出現(xiàn)外部引線氧化，產(chǎn)生高ESR。水氣也會滲入到電容器內(nèi)部，使引線端子氧化。

一般來說，多數(shù)ESR問題發(fā)生陰極層，會出現(xiàn)陰極層的分層、過厚、缺失等情況。如果鉭絲與正極引線出現(xiàn)虛連接也會出現(xiàn)ESR問題，不過這種情況比較少見。剖面電容器的光學(xué)或掃描電子顯微鏡將有助于分析出問題的根源。

4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。故本文不再展開討論。

結(jié)論

本文對片式鉭電解電容器的高漏電流、ESR值以及低容量的失效原因進(jìn)行了大概分析；給出各類模式的常用的失效分析方法，并給出每一種失效模式最常見的原因及其測定技術(shù)。

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（作者單位：上海無線電設(shè)備研究所）