基于失效模式的多层瓷介电容器通用规范解读

蔡娜 田智文 崔德胜 杨东伟 郭海明

（1中国航天标准化研究所，北京， 100071；2中国运载火箭技术研究院物资中心，北京， 100076；）

1 瓷介电容器产品特性分析

多层瓷介电容器（以下简称“瓷介电容器”）是目前电子设备中使用最广泛的一种电容器，占整个电容器使用数量的50%左右。瓷介电容器由陶瓷介质和金属电极交互叠层构成，其中交替又不相连的内电极分别与两端的外电极相连形成多个电容器并联结构。军用瓷介电容器主要采用钛酸钡为主体的瓷粉材料做介质材料和钯银为内电极材料，近来也开始采用镍、铜等金属作为内电极。

瓷介电容器耐热性能好、绝缘性能优良、体积小、比容大、寿命长、可靠性高，在军用装备中大量应用。瓷介电容器按介质材料分为两类，即1类和2类。按工作电压又可分为高压瓷介电容器和低压瓷介电容器。瓷介电容器的外形结构也是多种多样的，常见的有圆片形、管形、穿心式、筒形以及叠片式等。

1类瓷介电容器的介电常数一般小于100，温度系数小，基本上不随温度、电压、时间的改变而变化，该类瓷介电容器的损耗在很宽的范围内随频率的变化很小，并且高频损耗值很小，电气性能稳定，属超稳定、低损耗的电容器介质材料，常用于对稳定性、可靠性要求较高的高频场合。但由于该类陶瓷材料的介电常数较小，因此其容量值难以做高。

2类瓷介电容器的介电常数一般大于1000，此类材料特点在于介电常数大，电容器可以做到很大容量，容量范围宽，但频率特性和温度特性较差，容量会随着温度、频率、外加电压的变化而变化，容量稳定性以及损耗与1类瓷介电容器相比较差。因此适合于对容量、损耗和温度特性要求不高的低频电路做旁路、耦合、滤波等电路使用。

表征电容器产品特性的主要参数指标有电容量、介质耐电压、绝缘电阻、损耗角正切等。具体包括以下。

a）电容量：指电容器设计确定的和通常在电容器上所标出的电容量值。

b）介质耐电压：在规定条件和时间内，介质承受电压作用而不发生击穿与飞弧的能力。

c）绝缘电阻：电容器引出端之间的直流电阻值，它是对电容器在额定直流电压作用下介质抗漏电流能力的度量。

d）损耗角正切：是在规定频率的正弦电压下，电容器的损耗功率除以电容器的无功功率。

2 瓷介电容器失效模式及失效机理研究

瓷介电容器的失效模式主要有：开路、短路和参数漂移。

2.1 开路失效

开路失效的出现概率低于短路失效，会造成电容值消失，但不会造成绝缘下降，在一些电路中可能不会影响整机设备的正常工作，其产生原因包括2个方面：一是产品固有缺陷即端电极的附着强度不够，造成端电极与瓷体的脱落，内、外电极不能正常连接。因此在产品规范的考核项目中会开展“引出端强度”试验考核。二是使用过程中引入外力作用而使电容器瓷体断裂，此类失效主要发生于片式瓷介电容器。因此在产品规范的考核项目中会在“温度冲击、振动、冲击”等试验后进行外观检查和电容量测试。

2.2 参数漂移

参数漂移失效模式主要有容值变化、绝缘电阻变化及损耗变化等。产生的原因有产品生产过程引入的缺陷，也有使用不当造成的。生产工艺控制不当可能产生分层、空隙、内电极结瘤等固有缺陷，造成参数漂移或在工作一定时间后发生参数漂移；在使用过程中引入的外界因素，如助焊剂残留、表面污染、贮存环境不当等，也会使瓷介电容器参数漂移。

2.3 短路失效

短路失效是瓷介电容器较多发生的失效模式，会造成绝缘下降甚至是部分设备烧毁，一般对设备整机影响较大，是设计人员最担心出现的失效现象，其产生的原因也是多样的。经分析，产生短路失效的原因主要包括2类。

2.3.1 电容器存在的固有缺陷

a）分层：电容器常见的固有缺陷之一是其内部存在分层，是在电容器生产过程中产生的。瓷介电容器是由印有金属电极的陶瓷介质膜叠层后在高温下烧结而成的，如果陶瓷介质与内电极的匹配不好，排胶与烧结的温度曲线设置不合理，将会产生电容器电极与介质间分层。

b）电极结瘤：电容器的耐电压能力直接由电容器介质的有效厚度决定，电容器内电极结瘤会引起局部介质变薄，导致该位置耐压能力弱，成为容易失效的薄弱点。

c）介质存在孔洞：由于多层瓷介电容器的介质为陶瓷材料，这种材料是由金属氧化物粉末和粘合剂混合后通过流延制作成薄膜后再烧结而成。如果流延膜存在气泡，烧结后在瓷体内部可能会形成超标的空洞，长期通电过程中空洞处漏电流增加，电容器产生的热能大于其散发热能，形成热量积累，导致电容器内部的温度升高，造成介质损耗增加，这又继续引起温度升高形成正反馈，使内电极金属溶融并迁移，漏电流超标，严重时介质会烧焦。

d）端电极缺陷：多层瓷介电容器的最内层端电极是通过将端头浸入端浆材料后再烧端而制成，在涂端和烧端的过程中端电极内部可能因工艺控制不到位而产生孔洞等缺陷，可能导致电容器失效或损耗增大。

2.3.2 使用过程中引起的短路失效

a）机械应力：瓷介电容器安装后破裂是常见的失效现象，常见原因之一是电容器受到外界过大的机械应力所致，而机械应力一般由于电路板弯曲引起。过强或过急弯曲电路板使两焊接点产生相反方向的机械应力，在电容器最弱的位置（一般在瓷体和端头的交接点）容易产生裂缝。该裂缝初期可能很细而没有穿透相邻的内电极，常规测试一般都不能发现，经温度循环和振动后，微裂纹可能继续扩大[1]。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]，电容器绝缘电阻下降，漏电流增大，最终表现为短路。

b）热应力：陶瓷电容器由于其制造工艺上的特点，能承受相当高的温度，一般介质材料在1100℃至1200℃烧结，因此能承受很高的温度而元件无损伤性缺陷，但不能使产品经受突然的或不一致的温度变化，它会因热冲击而失效。

c）电应力：对于电源输出端来说，一般情况下电压较低（例如15V、12V、5V等等），电压比较稳定，很少出现尖峰电压，风险较低。但是对于电源的输入端，一般情况下电压较高（例如28V），电压波动范围较宽，噪声的尖峰电压也可能会很高，会超过电容器的额定电压，使电容器电击穿，产生短路失效。

3 产品规范中考核项目设计解读

基于瓷介电容产品本身特性及其特有的失效模式和机理，设计了瓷介电容器产品规范中相应的试验考核项目，目的是验证产品的质量可靠性满足要求的能力。本文选取了《有失效率等级的无包封多层片式瓷介固定电容器通用规范》 《1类瓷介固定电容器通用规范》 《2类瓷介固定电容器通用规范》 《高可靠瓷介固定电容器通用规范》等4个瓷介电容器通用规范进行分析。表1列出了4个通用规范给出的鉴定检验项目表。

表1 4个通用规范鉴定检验项目汇总表

固有缺陷引起的失效：由于产品本身缺陷引起的短路、开路和参数漂移等失效，在过程控制和筛选中设计了“X射线检查、超声扫描、破坏性物理分析（DPA）”等检验项目，并测试产品“电容量、介质耐电压、绝缘电阻、损耗角正切”等是否满足要求。

应用过程中引起的失效：由于力、热、电等应力及高低温、潮湿等应用条件及相关环境可能引起的电容器失效，在产品考核试验中设计了“电压处理、介质耐电压、温度冲击和浸渍循环、耐焊接热、耐湿、盐雾、稳态湿热 （低电压）、寿命 （在高温下）、低气压、密封、霉菌、耐溶剂、引出端强度、耐焊接热、可焊性”等考核项目，验证产品的环境适用能力，这些试验项目均在表1不同规范中有所体现。

a）寿命：高温额定电压下工作1000h以上，验证产品的工作可靠性，是至关重要的一个试验项目。

b）温度特性（温度系数）：指在一定的温度范围内电容量随温度变化量。1类瓷容量随温度变化很小，稳定性好。2类瓷容量随温度变化较大。温度特性是电容器的一个重要特性，需要根据不同的温度特性进行选用。

c）可焊性：基于可能出现的接触不良失效模式，模拟了贮存条件下自然老化对引出端焊料层的影响，对引出端焊料层进行考核。

d）引出端强度：基于可能出现的脱焊、结构设计不合理等失效，检验引出端对外界应力的适应性。

e）耐焊接热：主要是模拟实际焊接过程，检验焊接热量是否会对电容器内部焊料、结构产生影响。

f）力学试验：对于武器装备应用环境较恶劣，设计有“振动、冲击、耐湿、温度冲击和浸渍项目”等试验项目，其中振动、冲击试验主要检验电容器结构是否会松动、能否造成脱焊、接触不良等试验。

g）稳态湿热（低电压）：是瓷介电容器需要特别关注的试验项目，特别是在高可靠应用时，因为低电压失效的机理是漏电流增大，在较大湿度情况下，由于瓷介电容器为非密封器件，会导致潮气渗入，在电容两端电极加电压时，渗入的潮气会使介质层中产生漏电流，漏电流较大时，可能使电容器产生大量的热量而发生短路击穿，这个现象在湿度储存试验后加电运行时最容易出现。

4 结论与建议

产品规范是验证与检验产品质量可靠性的重要依据，为确保产品规范内容的科学性和合理性，产品规范中试验项目的设计要基于产品特性和产品特有的失效模式，不能简单的照搬照抄其他规范。

基于产品失效模式开展标准正向设计，合理设计产品的功能性能、质量可靠性、环境适应性检验项目，同时考虑样品分配经济性，试验判断相对独立等因素。通过本文对瓷介电容器通用规范的剖析，验证和实践了此种设计思路的可行性，为后续开展新类别通用规范的设计提供参考。

基于失效模式解读产品通用规范，对于产品规范的认识要做到 “知其然，也知其所以然”，才能正确合理地选用和实施通用规范，形成标准合理剪裁原则，从产品本身的特性出发，分析产品的可能失效机理，考虑产品应用环境，进行试验项目的合理增补或删减。在支撑产品质量的提升的同时，兼顾产品的经济特性，更好地发挥标准效能。