片式钽电解电容在武器型号上的失效分析概述

刘后培 周宏 雷丁勇 潘超群 郭培培 刘永杰

摘要：本文武器型号中最常用的钽电解电容器的失效模式出发，大概阐述了三类常见的失效模式。对应于不同的失效模式，大概给出了失效分析的方法与判定依据。

关键词：钽电容器；武器型号；失效分析

引言

钽电解电容器是1956年由美国贝尔实验室首先研制成功，由于具有耐高温、寿命长、体积小、功能稳定、精确度高、滤高频性能好等诸多优点，很快得到广泛使用。金属钽作为阳极材料，钽金属表面生成的极薄的五氧化二钽膜作为介质，和阴极结合成一个完整的电容器。钽电容器应用于滤波、交流旁路、能量贮存与转换，记号旁路，耦合与退耦等电路中。钽电容器在已经通信、航空航天、武器装备、工业控制，通讯仪表等领域广泛运用。

钽电容器的电失效模式可以分成三种类型：高漏电流/短路、高等效串联电阻以及开路/低容量，多数的失效集中在高漏电流/短路上。每一种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类型来确定。在讨论破坏性分析之前，有必要在不进一步损坏电容器的条件下尽可能多的获取有关钽电容器的物理和电性能的数据。找到与电容器有关的背景信息和使用条件，例如需要分析钽电容的贴装、贮存、使用参数、环境条件、无故障工作时间等等，要尽可能多的收集并进行分析，单一数据一般很推断出电容器失效的根本原因。由于使用条件或是生产异常所引起的电容器失效是非常相似的。

失效分析是包括对电路和应用条件的一种全面的因果分析。本文主要对片式钽电解电容器的武器型号中常见的失效情况进行概述。

1、非破坏性分析方法

一般地，在电路板上对失效电容器进行检查。首先要确定电容器的安装极性是正确的。其次，检查电容器的外部和内部结构。电容器的外部检查一般使用立体显微镜。立体显微镜能显出诸如模塑环氧的裂缝、褪色、热/机械损伤、返工等缺陷。外部缺陷是可能导致钽电容器失效的原因之一，但是它也有可能掩盖钽电容器失效的真正原因。X光检测可以检查电容器的内部结构及其任何异常状态（阳极未对准，弱正极或是负极接触等）。随着X光断层照相术的提高，X光检查已经成为分析电容器内部结构的一种有益工具。

对于电容器电性能，要做的第一件事就是用万用表检查钽电容器的直流电阻，目的是使有效电流保持在很低的水平。小于∞的直流电流表明电容器具有高电流或处于短路状态。接着，在适当频率下使用LCR测试仪在0.5 V rms或1V rms条件检测容量、损耗因子（DF）以及ESR。需要注意的是短路电容器的容量、DF和ESR是不满足规范要求的。

2高漏电流/短路失效

漏电流，是对电容器施加额定直流工作电压，将观察到充电电流的变化，开始很大，随着时间而下降，到某一终值时达到较稳定状态，这一终值电流称为漏电流。

漏电流反映的是钽电容五氧化二钽膜的绝缘质量，理想中的电容介质应是完美无缺的薄膜，它的绝缘电阻可達几百兆以上。而实际上如图2所示，五氧化二钽膜表面存在各种微小的疵点、空洞以及隙缝之类的缺陷，漏电流就是杂质离子和电子通过这些缺陷的电流。如果电流较大，在试验的高应力下，电应力集中，电流密度大，使疵点周围的氧化膜“晶化”，扩大了疵点面积，介质质量进步恶化，绝缘电阻下降，漏电流增加。当漏电流增加到超过技术规范的规定值，造成电容失效。有时漏电流变得无穷大，实际介质膜已击穿，电容完全失去了作用。在讨论电容失效机理时，从理论上讲三个参数都可能失效，实际上，漏电流变大，才是电容器致命的失效。如果使用了漏电流大的而钽电容（如在整机上），导致整机不能工作，甚至烧毁部分线路。在钽电容试验项目中的质量问题中，有90%以上都集中在漏电流变大的问题上。

如果电容器具有小于∞的DCR，说明在电容器的正负极之间存在导电路径。假设电容器与电路之间被隔离，要么是泄漏通道通过钽阳极块（电介质层已经被损坏），要么旁路钽阳极块，在正负极之间形成了导电路径。检查电容器时，要确保在外部不存在电路桥。

在进行破坏性分析之前，了解电容器内部的失效点位置是非常有益的。特别是对于大壳号和多阳极钽电容器来说。电容器耐受了额定电压，并在短时间内施加了非常少量的电流，可以在电容器的热成像图上显示出来。在失效点的内热会引起局部温度的轻微提升，这可以通过热成像系统记录下来。热成像和X光分析结合使用可以精确的定位出失效部位。这种方法增加失效分析成功几率，并可缩短失效分析的时间。然后横切电容器直到失效点，阳极和阴极的任何异常都能分析到。如果电容器在存在外形异常，其DCR一般在几百千欧到几百兆欧这样的范围内，不会观察到热量点，为确保产品真的具有高漏电流，应该在额定电压下进行测量。

这种失效模式，要检查钽阳极的完整性和电介质的质量，就要使用化学的方法对钽电容器进行剥离。电介质中的瑕疵，例如图所示的结晶氧化物，可以通过剥离电极层的方式进行检查。结晶氧化物瑕疵点削弱了无定形电介质，从而提供出一个导电通道。少量存在疵点可通过钽电容器的自愈机理将其隔离。与此相同的是，结晶氧化物在高压电容器（一般35V及其以上）中更加显著，疵点增多至一定数量会引起电容器性能异常。在过去几年中，已经开发出了一些方法来减小或是消除结晶氧化物的生长。

3 高ESR失效

引起高ESR值的原因主要分成两类：连接不良或是材料电阻率的增加。再一个，在进行破坏性分析之前，必须要在适当的频率下测量ESR值高低的状态，更重要的是，必须要确保测试探针和电容器端子之间保持正确的连接。焊接点上存在的保形涂料或助焊剂、不合适的焊料、端子/焊接点的氧化、不合适的探针等都可能造成ESR值偏高。

电容器在贮存、贴装、焊接和使用过程中，受到的机械/热应力会影响ESR值。这类应力影响外部或内部的电连接，导致高ESR。

当电容器处于高温高湿的环境中时，会出现外部引线氧化，产生高ESR。水气也会渗入到电容器内部，使引线端子氧化。

一般来说，多数ESR问题发生阴极层，会出现阴极层的分层、过厚、缺失等情况。如果钽丝与正极引线出现虚连接也会出现ESR问题，不过这种情况比较少见。剖面电容器的光学或扫描电子显微镜将有助于分析出问题的根源。

4低容量/开路

正常条件下钽电容器的容量不会出现明显的改变，这种失效模式并不常见。故本文不再展开讨论。

结论

本文对片式钽电解电容器的高漏电流、ESR值以及低容量的失效原因进行了大概分析；给出各类模式的常用的失效分析方法，并给出每一种失效模式最常见的原因及其测定技术。

参考文献

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[2]薛仁经，彭宝霞.如何提高固体钽电容器和液体电容器的使用可靠性[J].电子产品可靠性与环境试验，1990，（5）：31-34.

[3]曲喜新.固体钽电解电容器的失效机理[J].电子元件与材料，1988（04）：22-23.

（作者单位：上海无线电设备研究所）