电容器常见漏电失效模式分析及应用建议

崔德胜，陈朝杰，彭 磊，熊盛阳，高憬楠

（中国运载火箭技术研究院元器件可靠性中心，北京 100076）

研究与试制

电容器常见漏电失效模式分析及应用建议

崔德胜，陈朝杰，彭 磊，熊盛阳，高憬楠

（中国运载火箭技术研究院元器件可靠性中心，北京 100076）

分析了近年来发生的电容器漏电失效典型案例，研究了瓷介电容器和钽电解电容器的漏电失效机理，分析表明金属迁移和介质层缺陷是导致电容器产生漏电流的主要原因。以电容器漏电流产生的理论机理为基础，从选择、检验和使用可靠性角度，提出了一系列电容器选型建议、检验准则和使用要求，以确保电容器在航天等高可靠领域的应用。

瓷介电容器；钽电解电容器；漏电；可靠性；选用；航天

电容器是组成电子电路的主要元件之一，起耦合、滤波、储能等作用。电容器按电解质主要可分为：无机介质电容器、有机介质电容器和电解电容器等。随着航天技术的发展，集成度逐渐提高，但电容器的用量仍然在增加，鉴于容量、体积及可靠性的要求，瓷介电容器和钽电解电容器已成为电容器领域的主力军，同时，贴片式电容器正逐渐取代传统轴向和径向封装电容器，是航天型号用量最大的元件。通常，电容器失效模式主要有：开路、短路、结构破坏、功能丧失、参数变化、接触不良等，其中，短路模式所占比例最大。因此，短路是瓷介电容器和钽电容器不容忽视的失效模式，短路主要表现为漏电流超标。所有失效中，有电容器固有缺陷，也有使用不当所致，所以解决瓷介电容器和钽电容器漏电问题是提高电容器固有可靠性和使用可靠性的关键。本文主要针对瓷介电容器和钽电解电容器漏电问题，分析了典型失效案例和失效机理，并从理论和实践角度提出相应解决措施。

1 典型案例及失效机理分析

1.1 金属迁移导致漏电

1.1.1 瓷介电容器金属迁移

图1是某片式瓷介电容器因短路而失效后的表面和剖面照片。对电容器的剖面进行观察时，发现电介质层中存在贯穿性裂纹，在裂纹中可见内电极材料，内电极材料在电场作用下已沿裂纹通道产生迁移，将相邻内电极搭接。

电容器瓷体开裂主要是电容器韧性低，耐弯曲能力不足，当印制板弯曲时，会对电容器产生拉或压的应力，导致电容器端头形成45度的微裂纹，经温度循环和振动后，微裂纹可能继续扩大[1]。另外，若焊接时没有对电容器进行预热处理，会导致安装不匹配，存在应力，温度变化剧烈时，热冲击会在表面产生裂纹并向内部传播。如果在使用时对产生裂纹的电容器两端施加电压，电场会使相邻内电极材料沿裂纹处迁移[2]，主要表现为电容器绝缘电阻下降，漏电流增大，严重时会发生短路。

图1 瓷介电容器瓷体开裂Fig.1 Cracking of the ceramic capacitor

1.1.2 银外壳液体钽电容器金属迁移

图2为一只银外壳液体钽电容器因漏电流超标而失效照片。经分析，钽体的底部和侧面存在“树枝”状的附着物，具有银白色金属光泽，附着物是银离子迁移的产物。

图2 钽电容器内部形貌Fig.2 Internal morphology of the tantalums capacitor

分析表明，该电容器漏电超标与在使用中受到了反向电压有关，银外壳液体钽电容器独特的银外壳是产生漏电流的主要原因。当前大量应用的银外壳液体钽电容器采用高纯度银外壳作为阴极。但是当这种电容器加上反向电压或不对称纹波电流时，银质外壳的钽电解电容器会由于钽-银之间的电位差，使银在酸性溶液作用下溶解出的银离子逐步迁移，即“银离子迁移”，并沉淀在阳极介质表面，在介质膜层缺陷处形成导电通道，引起漏电流剧增以致产品失效。

另外，应用中的浪涌电流也会造成钽电解电容器的失效率偏高，尤其是接在电源滤波电路的钽电解电容器。由于电源开与关时有瞬时大电流，电容器在瞬变的大电流冲击之下，使电容器氧化膜上有杂质缺陷处产生介质击穿，主要分为以下两种情况：

（1）击穿部位漏电流会迅速增大，发热也就越大，两者形成正反馈，最终出现电容器短路烧毁，并在外观上造成模压塑封料变色、发黑。

（2）电容器击穿部位在持续通电和发热状态下，其内部会引起与之接触的固体电解质二氧化锰发生如下化学变化[3]：

浪涌电流或高温工作时，导电性能良好的二氧化锰经化学反应后转化为导电性能差的三氧化锰，缺陷位置的二氧化锰转化为不导电的三氧化二锰后，使它与其区域产生电隔离，流过这个位置的电流将减小，造成氧化膜发生“自愈”现象，钽电容又可以正常地工作。但电容器承受功率的能力降低，电容量会变小，当受到浪涌电流或高温时，失效的概率会增大[4]。

1.2 介质层缺陷导致短路

固体钽电解电容最常见的失效模式是短路。图3是固体钽电解电容器烧毁后的钽芯照片，表面有明显的烧毁痕迹。图4显示一只固体钽电解电容器爆裂并整体烧黑，此失效现象较为严重，电容器烧毁后产生了金属多余物，多余物极有可能导致其他关键设备或元器件的短路，造成整机失败的严重后果。

图3 固体钽电容表面击穿烧毁Fig.3 Breakdown of the solid tantalums capacitor

图4 固体钽电容器烧毁后的外貌和钽芯Fig.4 The appearance and tantalum core after breakdown of the solid tantalums capacitor

分析认为，以上固体钽电解电容器的所有失效均是介质层中存在缺陷引起的，缺陷产生于生产过程中。钽电容器正常情况下都会存在微量缺陷，在加电时会有很小的漏电流（通常在纳安量级），漏电流导致的温升和钽电容器散热能力可达到热平衡，钽电容器可长期正常工作。

在赋能工艺中，若由于工艺控制或材料原因，在形成的无定形Ta2O5膜上会出现局部晶化点，在施加电场时，由于局部晶化点的Ta2O5介电性能差、电导率高，致使局部晶化点的漏电流增加而产生局部发热，逐渐发展成饼状的肿块，直至发生雪崩式热击穿。

若钽粉纯度不高，存在铁、氧、氢等杂质，这些杂质在阳极赋能过程中将生成氧化物存留于介质氧化膜中，由于杂质氧化物多为半导体，会形成导电通道，使介质层的介电常数下降，抗浪涌电压能力差，在加电工作时，缺陷处漏电流会偏大，导致局部温升高，而随着温度升高，该处漏电流继续增大，形成一个正反馈，当漏电流达到一定程度后，会造成击穿短路现象。

2 应用建议

在电容器漏电引发的失效屡屡发生的情况下，为提高航天等高可靠领域用电容器的可靠性，分析了历史问题并归纳总结经验，从固有可靠性和使用可靠性角度出发，在电容器选用、检验方面采取了相应的措施，并形成技术准则及标准，以减少质量问题的发生。

2.1 电容器选型控制

2.1.1 不宜选用长宽比大于2:1和1206尺寸片式瓷介电容器

片式瓷介电容器瓷体开裂导致漏电超标主要由两个因素造成，一是瓷体的材料、内部缺陷和产品尺寸，一是焊接过程中产生的热应力以及安装后产生的力学应力。瓷介电容器韧性低，若焊接或安装时存在应力，片式电容器的应力只能释放到电容器本体上，而有引线电容器可通过引线释放应力，若使用中对电容器产生拉或压的应力，电容器瓷体会开裂。瓷体断裂强度可表示为：

式中：W为电容器宽度(mm)；T为电容器厚度(mm)；L为端电极焊点间距离(mm)；γ为弯曲应力；ε为修正因子，其与瓷体的临界应力强度因子、热传导系数和杨氏模量有关[5]。一般情况下，瓷体的韧性为：NP0＞X7R＞Z5U[5]。因此，由式（1）可知，在同一种材料情况下，电容器宽度和厚度越大，长度越小，瓷体的断裂强度越大。

在进行大量验证试验后，发现航天等军工领域中，所有因瓷体开裂而失效的电容器多数是1206尺寸，此尺寸电容器长度为3.2 mm，部分容量的产品厚度为1.5 mm，仅与0805尺寸的厚度相同，因此安装后断裂强度比其他尺寸低，即“细长”的瓷体容易开裂。因此，不宜选用长宽比大于 2:1和尺寸为1206的瓷介电容器。

2.1.2 不宜选用进口工业级固体钽电解电容器

当前选用的进口产品大多为工业级产品，进口工业级产品允许存在一定失效率，产品的最终状态是靠生产线的工艺控制来保证，无相关的筛选，而且进口工业级产品的工艺过程不受控，选用此类元器件存在极大的风险。如进口199D固体钽电解电容器发生的所有失效，均是介质层缺陷导致，此缺陷可通过工艺过程严格控制，或通过筛选剔除。因此，对进口工业级产品的选用应严格控制。

2.1.3 慎选国产未筛选电容器

国内各生产厂的电容器，有时标称质量等级相同，但各厂对相同质量等级的定义却不同，筛选和考核试验不同，甚至某些产品无筛选，这对设计师的选用造成一定困难。如J等级（也称“普军”等级）电容器，有些生产厂按国军标要求执行，有些甚至无筛选。

2.1.4 高可靠环境下优先选择全钽电容器和高分子固体钽电容器

全钽全密封钽电解电容器与普通银外壳液体钽电容器结构基本相同，最大区别是全钽液体钽电解电容器是用钽外壳作为电容器的引出阴极，避免了由反向电压或不对称纹波电流引起的钽-银电位差问题，可承受小于3V的反向电压。同时，其具有性能稳定、承受纹波电流和振动冲击能力强等优点，被业界称为“永不失效”的电容器。

高分子钽电解电容器的结构和普通二氧化锰钽电解电容器基本相同，根本差别在于用导电高分子取代二氧化锰作阴极材料。导电高分子的电导率（1～100 S/cm）远高于二氧化锰电导率（0.1 S/cm），因此高分子钽电解电容器具有极低的等效串联电阻（ESR），高频特性好，允许更大的纹波电流，不易引起漏电问题，且失效模式是开路，对整机性能的影响小。

2.1.5 大容量瓷介电容器采用金属支架连接方式

随着材料技术的发展，单个瓷介电容的容量可达100 μF甚至更高，将逐渐替代电解电容器。然而电容器安装尺寸不变，厚度和重量却成倍增加，安装到PCB板后，产生的应力仅通过焊接点释放，在焊接处会产生较大的应力，易造成电容器端头和瓷体表面开裂。通常，使用金属支架瓷介电容器来解决此问题，其结构如图5所示。瓷介电容器通过高温焊料与金属支架连接，金属支架再与PCB板焊接，因此应用过程中产生的应力可通过支架释放，此结构具有优异的抗热应力和机械应力特性。

图5 金属支架瓷介电容器Fig.5 Metal cap type ceramic capacitors

2.2 电容器检验控制

2.2.1 增加片式瓷介电容器机械强度考核

为解决片式瓷介电容器开裂问题，保证电容器机械强度和各批次电容器的一致性，可在周期检验中增加端面镀层结合强度考核。端面镀层结合强度考核中，将电容器安装于图6所示的装置上，在一定的弯曲状态下测试电容量，弯曲结束后检查瓷体有无裂纹，保证电容器的机械强度达到要求。

图6 端面镀层结合强度试验示意图（mm）Fig.6 The diagram of bending test（mm）

2.2.2 增加瓷介电容器超声扫描

在无限均匀的弹性介质中，超声波以一定的速度沿着固定的方向传播。当其遇到障碍物（如缺陷）之后，超声波会与障碍物发生作用使传播路线发生改变。这种相互作用的结果使得缺陷处成为一个新的波源，可把这新的波源当成二次波源，它将向各个方向发出散射波[6]，检测散射波即可检验出缺陷。

2.2.3 加严钽电解电容器漏电流考核

钽电解电容器介质层中的缺陷数量，宏观上可由电容器漏电流的大小来表示，因此，在某种程度上可以由漏电流大小来反映有缺陷的产品。钽电解电容器漏电流为：

式中：K是漏电流系数；U是电压；C是电容量。

在实际测试中，大部分电容器的漏电流小于0.3 I，只有极少数电容器的漏电流大于0.5 I，虽然漏电流大于0.5 I符合筛选要求，但在实际应用中，正是这极少数漏电流大于0.5 I的电容器发生失效。因此，将钽电解电容器在常温和高温筛选时的漏电流控制在0.5 I和5 I，即可有效剔除极少数存在安全隐患的电容器。

2.3 电容器应用可靠性控制

2.3.1 电容器应进行电压降额设计

电容器使用电压超过额定电压时，容易破坏介质层，将导致电容器性能劣化，严重时甚至产生介质击穿，特别是钽电解电容器，电压过高会使电容器漏电流超标，因此，在航天应用中，电容器必须按GJB/Z 35《元器件降额准则》或产品手册进行降额设计。对于钽电解电容器，如使用低阻抗电路和快速充放电电路中，建议使用电压设定在额定电压的1/3以下，防止电路中纹波对介质层造成损伤。

2.3.2 高可靠线路中应慎用钽电解电容器

在设计高可靠线路时，应慎用液体钽电解电容器。因为液体钽电容器中有导电酸性液体，若产生漏液，会使印制电路板上线条间产生短路，而且这种液体可分解为气体，在真空环境下气体膨胀易发生爆炸。

无论固钽或液钽，在高可靠环境中应用时，可采用图7所示的接法，使两个电容器串联，即使其中一个短路，另一个还可正常工作，以牺牲重量和空间来提高可靠性。

图7 提高钽电解电容器可靠性的接法Fig.7 The method for improving the reliability of tantalum electrolytic capacitor

2.3.3 禁止对钽电解电容器施加反向电压

钽电解电容器氧化膜具有单向导电性和整流特性，当施加反向电压时，会破坏氧化膜的晶向，改变其电导率，结果产生较大的漏电流。若施加的反向电压过大，甚至会造成电容器击穿失效。因此，使用中应严格控制反向电压，除全钽电容器外，不允许施加任何反向电压，且禁止使用万用表电阻档对有钽电容器的电路或电容器本身进行不分极性的测试（容易施加反向电压）。

有极性钽电解电容器必须隔离包装，因电容器在测试过程中会进行充放电，若测试后放电不充分，在运输或存储中接触其他电容器的负极会进行放电，造成介质膜损伤，所以不允许电容器引线或引出端相互接触。

在测量、使用过程中，如不慎对非固体钽电容器施加了反向电压或对固体钽电容器、全钽电容器施加了超过规定的反向电压，则该电容器应作报废处理，因为即使其各项参数仍然合格，而电容器由反向电压造成的软损伤有一定潜伏期，在后期使用中会造成漏电流的增大。

2.3.4 选择合理的电装工艺

片式电容器的电装工艺选择不当，会在端头产生机械应力，容易使电容器开裂。片式电容器优先推荐回流焊和波峰焊，不宜采用手工焊接，因为手工焊易出现焊锡连接点的焊接温度、所受应力和焊锡量不同，在电容器端头易产生机械应力。若采用手工焊接，应控制焊接温度，PCB板和电容器应采取预热措施，防止两者热膨胀系数相差大导致焊接后存在机械应力。

除焊接外，PCB板的选择也至关重要，PCB板材料和结构的不同，电容器的应力也会不同，尤其是金属印刷电路板（如 AI），因热膨胀系数差异较大，贴片电容器开裂的风险增大，选用时应慎重。

3 结束语

随着航天等高可靠领域中瓷介电容器和钽电容器的用量逐渐增加，其漏电问题一直影响着工程应用。文章分析了近年来发生的电容器漏电典型案例，研究了电容器漏电失效机理，从选择、检验和使用角度，提出了一系列改进措施和建议，提高电容器的使用可靠性。

[1] 李标荣, 陈万平. MLCC之绝缘低压失效机理 [J]. 电子元件与材料, 1999, 18(4): 32-40.

[2] 李世岚, 包生祥, 彭晶, 等. 导致 MLCC失效的常见微观机理 [J]. 电子元件与材料, 2007, 26(5): 58-60.

[3] 唐万军, 张世莉, 张建宏. 固体钽电容的使用可靠性 [J].微电子学, 2008, 38(3): 389-390.

[4] 王鲁宁. 固体钽电容的可靠性筛选研究 [J]. 计算机与数字工程, 2010, 38(4): 184-186.

[5] TINOCO J C, ESTRADA M, INIGUEZ B, et al. Conduction mechanisms of silicon oxide/titanium oxide MOS stack structures [J]. Microelectron Reliab, 2008, 48(3): 370-381.

[6] 王少军, 俞厚德, 钱耀洲, 等. 基于超声散射法的微小缺陷及近表面缺陷的检测 [J]. 无损检测, 2014(1): 49-53.

（编辑：曾革）

Research for common leakage failure modes of capacitors and suggestions for application

CUI Desheng, CHEN Zhaojie, PENG Lei, XIONG Shengyang, GAO Jingnan
(Electronic Components Technology Center, CALT, Beijing 100076, China)

A typical case of capacitor leakage fault in recent years was analyzed. The failure mechanism of ceramic capacitors and tantalum electrolytic capacitors were studied. The analysis show that the main causes of leakage current are metal migration and the defects in medium layer. Then a series of selection recommendations, inspection standards and application requirements are proposed from the view of selection, inspection and reliability, in order to improve the reliability of application for aerospace application and other high reliable fields.

ceramic capacitor; tantalum electrolytic capacitors; leakage; reliability; selection; aerospace

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.009

TM53

A

1001-2028（2017）09-0038-05

2017-06-19

崔德胜

崔德胜（1986－），男，辽宁大连人，工程师，主要从事元器件质量保证和可靠性研究，E-mail: cds1210@163.com 。

时间：2017-08-28 11:09

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1109.009.html