基于失效模式的多層瓷介電容器通用規范解讀

蔡娜 田智文 崔德勝 楊東偉 郭海明

（1中國航天標準化研究所，北京， 100071；2中國運載火箭技術研究院物資中心，北京， 100076；）

1 瓷介電容器產品特性分析

多層瓷介電容器（以下簡稱“瓷介電容器”）是目前電子設備中使用最廣泛的一種電容器，占整個電容器使用數量的50%左右。瓷介電容器由陶瓷介質和金屬電極交互疊層構成，其中交替又不相連的內電極分別與兩端的外電極相連形成多個電容器并聯結構。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材料和鈀銀為內電極材料，近來也開始采用鎳、銅等金屬作為內電極。

瓷介電容器耐熱性能好、絕緣性能優良、體積小、比容大、壽命長、可靠性高，在軍用裝備中大量應用。瓷介電容器按介質材料分為兩類，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構也是多種多樣的，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一般小于100，溫度系數小，基本上不隨溫度、電壓、時間的改變而變化，該類瓷介電容器的損耗在很寬的范圍內隨頻率的變化很小，并且高頻損耗值很小，電氣性能穩定，屬超穩定、低損耗的電容器介質材料，常用于對穩定性、可靠性要求較高的高頻場合。但由于該類陶瓷材料的介電常數較小，因此其容量值難以做高。

2類瓷介電容器的介電常數一般大于1000，此類材料特點在于介電常數大，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，容量會隨著溫度、頻率、外加電壓的變化而變化，容量穩定性以及損耗與1類瓷介電容器相比較差。因此適合于對容量、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。

表征電容器產品特性的主要參數指標有電容量、介質耐電壓、絕緣電阻、損耗角正切等。具體包括以下。

a）電容量：指電容器設計確定的和通常在電容器上所標出的電容量值。

b）介質耐電壓：在規定條件和時間內，介質承受電壓作用而不發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，它是對電容器在額定直流電壓作用下介質抗漏電流能力的度量。

d）損耗角正切：是在規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理研究

瓷介電容器的失效模式主要有：開路、短路和參數漂移。

2.1 開路失效

開路失效的出現概率低于短路失效，會造成電容值消失，但不會造成絕緣下降，在一些電路中可能不會影響整機設備的正常工作，其產生原因包括2個方面：一是產品固有缺陷即端電極的附著強度不夠，造成端電極與瓷體的脫落，內、外電極不能正常連接。因此在產品規范的考核項目中會開展“引出端強度”試驗考核。二是使用過程中引入外力作用而使電容器瓷體斷裂，此類失效主要發生于片式瓷介電容器。因此在產品規范的考核項目中會在“溫度沖擊、振動、沖擊”等試驗后進行外觀檢查和電容量測試。

2.2 參數漂移

參數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。產生的原因有產品生產過程引入的缺陷，也有使用不當造成的。生產工藝控制不當可能產生分層、空隙、內電極結瘤等固有缺陷，造成參數漂移或在工作一定時間后發生參數漂移；在使用過程中引入的外界因素，如助焊劑殘留、表面污染、貯存環境不當等，也會使瓷介電容器參數漂移。

2.3 短路失效

短路失效是瓷介電容器較多發生的失效模式，會造成絕緣下降甚至是部分設備燒毀，一般對設備整機影響較大，是設計人員最擔心出現的失效現象，其產生的原因也是多樣的。經分析，產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部存在分層，是在電容器生產過程中產生的。瓷介電容器是由印有金屬電極的陶瓷介質膜疊層后在高溫下燒結而成的，如果陶瓷介質與內電極的匹配不好，排膠與燒結的溫度曲線設置不合理，將會產生電容器電極與介質間分層。

b）電極結瘤：電容器的耐電壓能力直接由電容器介質的有效厚度決定，電容器內電極結瘤會引起局部介質變薄，導致該位置耐壓能力弱，成為容易失效的薄弱點。

c）介質存在孔洞：由于多層瓷介電容器的介質為陶瓷材料，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而成。如果流延膜存在氣泡，燒結后在瓷體內部可能會形成超標的空洞，長期通電過程中空洞處漏電流增加，電容器產生的熱能大于其散發熱能，形成熱量積累，導致電容器內部的溫度升高，造成介質損耗增加，這又繼續引起溫度升高形成正反饋，使內電極金屬溶融并遷移，漏電流超標，嚴重時介質會燒焦。

d）端電極缺陷：多層瓷介電容器的最內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部可能因工藝控制不到位而產生孔洞等缺陷，可能導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）機械應力：瓷介電容器安裝后破裂是常見的失效現象，常見原因之一是電容器受到外界過大的機械應力所致，而機械應力一般由于電路板彎曲引起。過強或過急彎曲電路板使兩焊接點產生相反方向的機械應力，在電容器最弱的位置（一般在瓷體和端頭的交接點）容易產生裂縫。該裂縫初期可能很細而沒有穿透相鄰的內電極，常規測試一般都不能發現，經溫度循環和振動后，微裂紋可能繼續擴大[1]。如果在使用時對產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]，電容器絕緣電阻下降，漏電流增大，最終表現為短路。

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

c）電應力：對于電源輸出端來說，一般情況下電壓較低（例如15V、12V、5V等等），電壓比較穩定，很少出現尖峰電壓，風險較低。但是對于電源的輸入端，一般情況下電壓較高（例如28V），電壓波動范圍較寬，噪聲的尖峰電壓也可能會很高，會超過電容器的額定電壓，使電容器電擊穿，產生短路失效。

3 產品規范中考核項目設計解讀

基于瓷介電容產品本身特性及其特有的失效模式和機理，設計了瓷介電容器產品規范中相應的試驗考核項目，目的是驗證產品的質量可靠性滿足要求的能力。本文選取了《有失效率等級的無包封多層片式瓷介固定電容器通用規范》 《1類瓷介固定電容器通用規范》 《2類瓷介固定電容器通用規范》 《高可靠瓷介固定電容器通用規范》等4個瓷介電容器通用規范進行分析。表1列出了4個通用規范給出的鑒定檢驗項目表。

表1 4個通用規范鑒定檢驗項目匯總表

固有缺陷引起的失效：由于產品本身缺陷引起的短路、開路和參數漂移等失效，在過程控制和篩選中設計了“X射線檢查、超聲掃描、破壞性物理分析（DPA）”等檢驗項目，并測試產品“電容量、介質耐電壓、絕緣電阻、損耗角正切”等是否滿足要求。

應用過程中引起的失效：由于力、熱、電等應力及高低溫、潮濕等應用條件及相關環境可能引起的電容器失效，在產品考核試驗中設計了“電壓處理、介質耐電壓、溫度沖擊和浸漬循環、耐焊接熱、耐濕、鹽霧、穩態濕熱 （低電壓）、壽命 （在高溫下）、低氣壓、密封、霉菌、耐溶劑、引出端強度、耐焊接熱、可焊性”等考核項目，驗證產品的環境適用能力，這些試驗項目均在表1不同規范中有所體現。

a）壽命：高溫額定電壓下工作1000h以上，驗證產品的工作可靠性，是至關重要的一個試驗項目。

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

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

d）引出端強度：基于可能出現的脫焊、結構設計不合理等失效，檢驗引出端對外界應力的適應性。

e）耐焊接熱：主要是模擬實際焊接過程，檢驗焊接熱量是否會對電容器內部焊料、結構產生影響。

f）力學試驗：對于武器裝備應用環境較惡劣，設計有“振動、沖擊、耐濕、溫度沖擊和浸漬項目”等試驗項目，其中振動、沖擊試驗主要檢驗電容器結構是否會松動、能否造成脫焊、接觸不良等試驗。

g）穩態濕熱（低電壓）：是瓷介電容器需要特別關注的試驗項目，特別是在高可靠應用時，因為低電壓失效的機理是漏電流增大，在較大濕度情況下，由于瓷介電容器為非密封器件，會導致潮氣滲入，在電容兩端電極加電壓時，滲入的潮氣會使介質層中產生漏電流，漏電流較大時，可能使電容器產生大量的熱量而發生短路擊穿，這個現象在濕度儲存試驗后加電運行時最容易出現。

4 結論與建議

產品規范是驗證與檢驗產品質量可靠性的重要依據，為確保產品規范內容的科學性和合理性，產品規范中試驗項目的設計要基于產品特性和產品特有的失效模式，不能簡單的照搬照抄其他規范。

基于產品失效模式開展標準正向設計，合理設計產品的功能性能、質量可靠性、環境適應性檢驗項目，同時考慮樣品分配經濟性，試驗判斷相對獨立等因素。通過本文對瓷介電容器通用規范的剖析，驗證和實踐了此種設計思路的可行性，為后續開展新類別通用規范的設計提供參考。

基于失效模式解讀產品通用規范，對于產品規范的認識要做到 “知其然，也知其所以然”，才能正確合理地選用和實施通用規范，形成標準合理剪裁原則，從產品本身的特性出發，分析產品的可能失效機理，考慮產品應用環境，進行試驗項目的合理增補或刪減。在支撐產品質量的提升的同時，兼顧產品的經濟特性，更好地發揮標準效能。