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，大概闡述了三類常見的失效模式。對應于不同的失效模式，大概給出了失效分析的方法與判定依據。

關鍵詞：鉭電容器；武器型號；失效分析

引言

鉭電解電容器是1956年由美國貝爾實驗室首先研制成功，由于具有耐高溫、壽命長、體積小、功能穩定、精確度高、濾高頻性能好等諸多優點，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，和陰極結合成一個完整的電容器。鉭電容器應用于濾波、交流旁路、能量貯存與轉換，記號旁路，耦合與退耦等電路中。鉭電容器在已經通信、航空航天、武器裝備、工業控制，通訊儀表等領域廣泛運用。

鉭電容器的電失效模式可以分成三種類型：高漏電流/短路、高等效串聯電阻以及開路/低容量，多數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，有必要在不進一步損壞電容器的條件下盡可能多的獲取有關鉭電容器的物理和電性能的數據。找到與電容器有關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、環境條件、無故障工作時間等等，要盡可能多的收集并進行分析，單一數據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部結構。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氧的裂縫、褪色、熱/機械損傷、返工等缺陷。外部缺陷是可能導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部結構及其任何異常狀態（陽極未對準，弱正極或是負極接觸等）。隨著X光斷層照相術的提高，X光檢查已經成為分析電容器內部結構的一種有益工具。

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。接著，在適當頻率下使用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，隨著時間而下降，到某一終值時達到較穩定狀態，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量，理想中的電容介質應是完美無缺的薄膜，它的絕緣電阻可達幾百兆以上。而實際上如圖2所示，五氧化二鉭膜表面存在各種微小的疵點、空洞以及隙縫之類的缺陷，漏電流就是雜質離子和電子通過這些缺陷的電流。如果電流較大，在試驗的高應力下，電應力集中，電流密度大，使疵點周圍的氧化膜“晶化”，擴大了疵點面積，介質質量進步惡化，絕緣電阻下降，漏電流增加。當漏電流增加到超過技術規范的規定值，造成電容失效。有時漏電流變得無窮大，實際介質膜已擊穿，電容完全失去了作用。在討論電容失效機理時，從理論上講三個參數都可能失效，實際上，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（如在整機上），導致整機不能工作，甚至燒毀部分線路。在鉭電容試驗項目中的質量問題中，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極之間存在導電路徑。假設電容器與電路之間被隔離，要么是泄漏通道通過鉭陽極塊（電介質層已經被損壞），要么旁路鉭陽極塊，在正負極之間形成了導電路徑。檢查電容器時，要確保在外部不存在電路橋。

在進行破壞性分析之前，了解電容器內部的失效點位置是非常有益的。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，并在短時間內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。在失效點的內熱會引起局部溫度的輕微提升，這可以通過熱成像系統記錄下來。熱成像和X光分析結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間。然后橫切電容器直到失效點，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，不會觀察到熱量點，為確保產品真的具有高漏電流，應該在額定電壓下進行測量。

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

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，在進行破壞性分析之前，必須要在適當的頻率下測量ESR值高低的狀態，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。焊接點上存在的保形涂料或助焊劑、不合適的焊料、端子/焊接點的氧化、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，受到的機械/熱應力會影響ESR值。這類應力影響外部或內部的電連接，導致高ESR。

當電容器處于高溫高濕的環境中時，會出現外部引線氧化，產生高ESR。水氣也會滲入到電容器內部，使引線端子氧化。

一般來說，多數ESR問題發生陰極層，會出現陰極層的分層、過厚、缺失等情況。如果鉭絲與正極引線出現虛連接也會出現ESR問題，不過這種情況比較少見。剖面電容器的光學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。

參考文獻

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（作者單位：上海無線電設備研究所）