高壓脈沖功率多層瓷介電容器外部應力對可靠性影響分析研究

西安機電信息技術研究所 鄭 松 展學磊

隨著高壓脈沖功率多層瓷介電容器廣泛應用于軍民領域，產品失效問題也日益凸顯。本文主要針對外部應力對脈沖功率多層瓷介電容器可靠性影響及改善措施開展研究工作，解決脈沖功率多層瓷介電容器在使用過程由于處理不當造成受損進而影響可靠性的問題，提高產品的可靠性。

高壓脈沖功率多層瓷介電容器（以下減稱高壓脈沖電容）作為近年來瓷介電容領域新產品，隨著產品可靠性逐年提升已具備全面替代傳統高壓聚酯電容的條件，可以廣泛應用于軍民領域點火、引爆等產品設計中。高壓脈沖電容相較與傳統瓷介電容體積較大、耐壓更高以及更低的ESR和ESL，因此在使用方面較傳統瓷介質電容也有較大區別。國外90%高壓點火、引爆產品均采用高壓脈沖電容作為儲能元件，因此對于高壓脈沖電容的失效原因研究相對深入，國內由于使用時間短，未開展外部應力條件下失效機理和改善方法研究，國內多個軍用產品均在使用中出現了外力條件下高壓脈沖電容失效問題，亟待開展這方面的研究。

1 高壓脈沖功率多層瓷介電容器機理

高壓脈沖電容是采用陶瓷介質疊層印刷工藝，由陶瓷介質和電極共燒而成，其最大特點是高比容、尺寸小、長壽命、高可靠，已成為是研制和生產電子點火和引爆裝置的重要元器件，具有良好的軍民領域市場前景。高壓脈沖電容由陶瓷介質、70Ag/30Pd貴金屬內電極、金屬外電極等三部分組成，采用電子陶瓷材料作為介質和70Ag/30Pd貴金屬內電極經交互疊層燒結后成為一種獨石結構，其中交替又不相連的內電極分別與兩端的外電極相連，形成一個多個電容器的并聯結構的電容量較大的電容器。高壓脈沖電容結構方面盡管與傳統多層瓷介電容類似，但介質材料、電極均采用復合型材料，以實現高耐壓、低損耗、高比容等特性，其產品技術難度遠高于傳統瓷介電容，目前國際僅少數國家具備高壓脈沖功率多層瓷介電容器研發、生產能力。圖1高壓脈沖瓷介電容器內部結構及其等效電路示意圖。

圖1 高壓脈沖瓷介電容器內部結構及其等效電路示意圖

2 外部應力對高壓脈沖多層瓷介質電容器可靠性影響因素分析

高壓脈沖功率多層瓷介電容器在使用、焊接和裝配的過程中，外部應力對可靠性影響因素主要可分為電應力、熱應力和機械應力三方面。

2.1 電應力對于高壓脈沖多層瓷介質電容器可靠性的影響

電應力影響主要指的是在電容器額定參數條件以上的電壓、電流條件，對于高壓電容而言，工作過程往往是上千V，數千A電流放電，回路R、L、C參數作用下可能出現回路震蕩，造成電路出現過壓、過流電應力導致電容器內部瞬間被擊穿形成裂紋，裂紋由擊穿點向外延伸，穿過內電極導致電容器絕緣電阻下降，漏電流增大，持續通電后使電容器局部溫度上升、裂紋增大，最終電容器燒毀。

2.2 熱應力對于高壓脈沖多層瓷介質電容器可靠性的影響

高壓脈沖電容內部陶瓷介質、內電極層、外電極由于材料不同，熱條件下各種材料膨脹系數不同，在熱作用下會在材料內部拉扯應力，造成材料變形，當材料形變超過彈性變形到達塑性變形就會造成局部材料撕裂，形成裂紋，裂紋到達電極層會造成加電電極擊穿電容失效。熱應力損傷是瓷介質電容器諸多失效外部因素中最常見的，熱應力產生也是多方面的，包括使用過程中氣候環境、焊接過程中加熱等，但絕大多數高壓脈沖電容使用條件不超過+125℃遠低于瓷介質燒制溫度，因此常規使用條件不會對高壓瓷介電容產生影響，熱應力損傷主要出現在焊接過程中。通過對高壓瓷介質電容器各失效現象和原因進行統計，發現絕大多數高壓瓷介電容器熱應力損傷與手工焊接有直接關系，手工焊接過程中由于烙鐵端頭溫度高，烙鐵搭接處溫度遠高于其他位置，且由于瓷體材料導熱性不良，電容局部熱量很難在短時間擴散，造成局部與瓷體出現急劇溫度差，由此產生的熱應力沖擊會導致電容器內部出現弧形裂紋，裂紋形狀如下圖所示。如果電路板周邊存在其他元器件采用手工焊接的方式，位置又相臨，在此焊接過程中，熱量通過電路板傳遞到相鄰電容器的焊接面底部，使電容器受熱不均勻，急劇的溫度變化產生二次熱沖擊，造成電容器內部出現弧形裂紋。此外，焊盤設計不合理，焊料過多，二次焊接，手工補焊等操作也可能會對產品造成熱沖擊。

2.3 外部機械應力對于高壓脈沖多層瓷介質電容器可靠性的影響

高壓脈沖電容器在裝配和使用過程可能受到的機械外力經分析主要有焊錫料收縮和使用過程外力兩方面。焊錫料收縮外力主要指焊接完成后隨著焊料的冷卻，焊料發生自然收縮造成焊錫對電路板以及電容本體拉扯；使用過程中外力主要指在安成焊接后，電路板存在劇烈的碰撞、沖擊、晃動或板材意外變形等情況下，慣性作用下電容本體與焊盤之間會形成相互拉扯的作用力，或高壓脈沖電容受到外部物件的碰撞或推擠，容易造成電容器端電極下方與陶瓷體交界區域的收口處出現拉扯裂紋，裂紋斜向上延伸進電極交錯區域，造成電容器內部出現薄弱區（裂紋附近），持續通電后會使電容器局部溫度上升并在裂縫處發生擊穿，最終電容器短路失效。

3 外力對于高壓脈沖多層瓷介質電容器可靠性影響改善方法研究

3.1 對于異常電應力導致失效問題改善方法研究

異常電應力造成電容失效的核心在于余量設計問題，因此設計應參考GJB299C相關要求：

（1）一般場合應用中，按70%的額定電壓（Ⅲ級）降額使用。

（2）在重要、關鍵電路等應用中，按50%的額定電壓（Ⅰ級）或按60%的額定電壓（Ⅱ級）降額使用。

（3）在大功率、低阻抗電路中使用時，按30%的額定電壓降額使用，以免直流浪涌電流沖擊而造成電容器的損壞。

3.2 對于熱應力沖擊導致失效問題的改善方法研究

熱應力失效問題經分析主要發生在焊接過程中，因此高壓脈沖電容焊接過程中應采取以下改善方法提高產品的可靠性：

（1）控制焊接溫度（焊接前充分預熱，焊接之后不能急速冷卻）、焊接時間（不宜過長）、設備狀態等。

（2）避免過大的焊盤（尺寸、焊錫量）會導致電容器受到較大的熱沖擊（電容器內部弧形裂紋）。

3.3 對于機械應力導致失效問題的相關建議與措施

機械應力失效問題經分析主要由焊接應力釋放和使用過程外力兩方面原因，因此設計中應采取以下改善方法：

（1）焊錫冷凝后會對電容器兩端形成相對的拉力，過大的焊盤會導致這種拉力越大，焊接過程，應控制焊料用量使爬錫到電容器端頭的1/2為佳，最低不能小于1/3，最高不能大于2/3。焊料過少，端頭固著力不足電容器容易脫落，而焊料過多，焊料冷卻固化產生的收縮力作用于電容器，容易造成電容器端頭拉裂、脫落。

（2）電路板安裝孔一般都有螺栓或螺釘擰入，擰入時如果電路板底部和底腔有空隙會產生彎折力引起電路板變形，元器件應盡量遠離安裝孔。

4 驗證情況

結合在研究的某型產品開展了改善方法驗證工作，2019年～2020年共投產產品305發，裝配高壓脈沖電容器610個，分別開展了氣候、力學、電磁等試驗，高壓脈沖電容器裝機后失效率由96%提升到100%，改善方法的有效性得到驗證。

結論：本文針對高壓脈沖電容使用過程中受外力作用可靠性收到影響的問題開展研究工作，通過對熱應力、機械應力、電應力條件下高壓脈沖電容器失效模式進行機理分析，確定不同條件下失效原因，通過研究針對失效原因提出了真的對不同外力條件下改善方法，經驗證表明，改善方法能夠有效避免失效問題，提高產品的可靠性。