電容器的常見失效模式有:擊穿、開路、電參數變化(包括電容量超差、損耗角正切值增大、絕緣性能下降或漏電流上下班升等)、漏液、引線腐蝕或斷裂、絕緣子破裂或表面飛弧等.引起電容器失效的原因是多種多樣的.各類電容器的材料、結構、制造工藝、性能和使用環境各不相同,失效機理也各不一樣.
各種常見失效模式的主要產生機理歸納如下.
1、常見的七種失效模式
(1) 引起電容器擊穿的主要失效機理
① 電介質材料有疵點或缺陷,或含有導電雜質或導電粒子;
② 電介質的電老化與熱老化;
③ 電介質內部的電化學反應;
④ 銀離子遷移;
⑤ 電介質在電容器制造過程中受到機械損傷;
⑥ 電介質分子結構改變;
⑦ 在高濕度或低氣壓環境中極間飛弧;
⑧ 在機械應力作用下電介質瞬時短路.
(2) 引起電容器開路的主要失效機理
① 引線部位發生“自愈“,使電極與引出線絕緣;
② 引出線與電極接觸表面氧化,造成低電平開路;
③ 引出線與電極接觸不良;
④ 電解電容器陽極引出箔腐蝕斷裂;
⑤ 液體工作臺電解質干涸或凍結;
⑥ 機械應力作用下電介質瞬時開路.
(3) 引起電容器電參數惡化的主要失效機理
① 受潮或表面污染;
② 銀離子遷移;
③ 自愈效應;
④ 電介質電老化與熱老化;
⑤ 工作電解液揮發和變稠;
⑥ 電極腐蝕;
⑦ 濕式電解電容器中電介質腐蝕;
⑧ 雜質與有害離子的作用;
⑨ 引出線和電極的接觸電阻增大.
(4) 引起電容器漏液的主要原因
① 電場作用下浸漬料分解放氣使殼內氣壓一升;
② 電容器金屬外殼與密封蓋焊接不佳;
③ 絕緣了與外殼或引線焊接不佳;
④ 半密封電容器機械密封不良;
⑤ 半密封電容器引線表面不夠光潔;
⑥ 工作電解液腐蝕焊點.
(5) 引起電容器引線腐蝕或斷裂的主要原因
① 高溫度環境中電場作用下產生電化學腐蝕;
② 電解液沿引線滲漏,使引線遭受化學腐蝕;
③ 引線在電容器制造過程中受到機械損傷;
④ 引線的機械強度不夠.
(6) 引起電容器絕緣子破裂的主要原因
① 機械損傷;
② 玻璃粉絕緣子燒結過程中殘留熱力過大;
③ 焊接溫度過高或受熱不均勻.
(7) 引起絕緣子表面飛弧的主要原因
① 絕緣了表面受潮,使表面絕緣電阻下降;
② 絕緣了設計不合理
③ 絕緣了選用不當
④ 環境氣壓過低.
電容器擊穿、開路、引線斷裂、絕緣了破裂等使電容器完全失去工作能力的失效屬致命性失效,其余一些失效會使電容不能滿足使用要求,并逐漸向致命失效過渡;
電容器在工作應力與環境應力綜合作用下,工作一段時間后,會分別或同時產生某些失效模式.同一失效模式有多種失效機理,同一失效機理又可產生多種失效模式.失效模式與失效機理之間的關系不是一一對應的.
2、電容器失效機理分析
(1)、潮濕對電參數惡化的影響
空氣中濕度過高時,水膜凝聚在電容器外殼表面,可使電容器的表面絕緣電阻下降.此處,對于半密封結構電容器來說,水分還可滲透到電容器介質內部,使電容器介質的絕緣電阻絕緣能力下降.因此,高溫、高濕環境對電容器參數惡化的影響極為顯著.經烘干去濕后電容器的電性能可獲改善,但是水分子電解的后果是無法根除的.例如:電容器工作于高溫條件下,水分子在電場作用下電解為氫離子(H+)和氫氧根離子(OH-),引線根部產生電化學腐蝕.即使烘干去濕,也不可能引線復原.
(2)、銀離子遷移的后果
無機介質電容器多半采用銀電極,半密封電容器在高溫條件下工作時,滲入電容器內部的水分子產生電解.在陽極產生氧化反應,銀離子與氫氧根離子結合生成氫氧化銀.在陰極產生還原反應、氫氧化銀與氫離子反應生成銀和水.由于電極反應,陽極的銀離子不斷向陰極還原成不連續金屬銀粒,靠水膜連接成樹狀向陽極延伸.銀離子遷移不僅發生在無機介質表面,銀離子還能擴散到無機介質內部,引起漏電流增大,嚴重時可使兩個銀電極之間完全短路,導致電容器擊穿.
銀離子遷移可嚴重破壞正電極表面銀層,引線焊點與電極表面銀層之間,間隔著具有半導體性質的氧化銀,使無機介質電容器的等效串聯電阻增大,金屬部分損耗增加,電容器的損耗角正切值顯著上升.
由于正電極有效面積減小,電容器的電容量會因此而下降.表面絕緣電阻則因無機介質電容器兩電極間介質表面上存在氧化銀半導體而降低.銀離子遷移嚴重時,兩電極間搭起樹枝狀的銀橋,使電容器的絕緣電阻大幅度下降.
綜上所述,銀離子遷移不僅會使非密封無機介質電容器電性能惡化,而且可能引起介質擊穿場強下降,后導致電容器擊穿.
值得一提的是:銀電極低頻陶瓷獨石電容器由于銀離子遷移而引起失效的現象比其他類型的陶瓷介質電容器嚴重得多,原因在于這種電容器的一次燒成工藝與多層疊片結構.銀電極與陶瓷介質一次燒也過程中,銀參與了陶瓷介質表面的固相反應,滲入了瓷-銀接觸處形成界面層.如果陶瓷介質不夠致密,則水分滲入后,銀離子遷移不僅可以在陶瓷介質表面發生,還可能穿透陶瓷介質層.多層疊片結構的縫隙較多,電極位置不易準確,介質表面的留邊量小,疊片層兩端涂覆外電極時銀漿滲入縫隙,降低了介質表面的絕緣電阻,并使電極之間的路徑縮短,銀離子遷移時容易產生短路現象.
(3)、高濕度條件下陶瓷電容器擊穿機理
半密封陶瓷電容器在高濕度環境條件下工作時,發生擊穿失效是比較普遍的嚴重問題.所發生的擊穿現象大約可以分為介質擊穿和表面極間飛弧擊穿兩類.介質擊穿按發生時間的早晚又可分為早期擊穿與老化擊穿兩種.早期擊穿暴露了電容介質材料與生產工藝方面存在的缺陷,這些缺陷導致陶瓷介質電強度顯著降低,以致于在高濕度環境中電場作用下,電容器在耐壓試驗過程中或工作初期,就產生電擊穿.老化擊穿大多屬于電化學擊穿范疇.由于陶瓷電容器銀的遷移,陶瓷電容器的電解老化擊穿已成為相當普遍的問題.銀遷移形成的導電樹枝狀物,使漏電流局部增大,可引起熱擊穿,使電容器斷裂或燒毀.熱擊穿現象多發生在管形或圓片形的小型瓷介電容器中,因為擊穿時局部發熱厲害,較薄的管壁或較小的瓷體容易燒毀或斷裂.
此外,以二氧化鈦為主的陶瓷介質中,負荷條件下還可能產生二氧化鈦的還原反應,使鈦離子由四價變為三價.陶瓷介質的老化顯著降低了電容器的介電強度,可能引起電容器擊穿.因此,這種陶瓷電容器的電解擊穿現象比不含二氧化鈦的陶瓷介質電容器更加嚴重.
銀離子遷移使電容器極間邊緣電場發生嚴重畸變,又因高濕度環境中陶瓷介質表面凝有水膜,使電容邊緣表面電暈放電電壓顯著下降,工作條件下產生表面極間飛弧現象.嚴重時導致電容器表面極間飛弧擊穿.表面擊穿與電容結構、極間距離、負荷電壓、保護層的疏水性與透濕性等因素有關.主要就是邊緣表面極間飛弧擊穿,原因是介質留邊量較小,在潮濕環境中工作時銀離子遷移和表面水膜形成使電容器邊緣表面絕緣電阻顯著下降,引起電暈放電,終導致擊穿.高濕度環境中尤其嚴重.由于銀離子遷移的產生與發展需要一段時間,所以在耐壓試驗初期,失效模式以介質擊穿為主,直到試驗500h以后,主要失效模式才過渡為邊緣表面極間飛弧擊穿.
(4)、高頻精密電容器的低電平失效機理
云母是一種較理想的電容器介質材料,具有很高的絕緣性能,耐高溫,介質損耗小,厚度可薄達25微米.云母電容器的主要優點是損耗小,頻率穩定性好、分布電感小、絕緣電阻大,特別適合在高頻通信電路中用做精密電容器.但是,云母資源有限,難于推廣使用.近數十年內,有機薄膜電容器獲得迅速發展,其中聚苯乙烯薄膜電容器具有損耗小、絕緣電阻大、穩定性好、介質強度高等優點.精密聚苯乙烯電容器可代替云母電容器用于高頻電路.需要說明的是:應用于高頻電路中的精密聚苯乙烯電容器,一般采用金屬箔極板,以提高絕緣電阻與降低損耗.
電容器的低電平失效是20世紀60年代以來出現的新問題.低電平失效是指電容器在低電壓工作條件下出現的電容器開路或容量下降超差等失效現象.60年代以來半導體器件廣泛應用,半導體電路電壓比電子管電路低得多,使電容器的實際工作電壓在某些電路中僅為幾毫伏,引起電容器低電平失效,具體表現是電容器完全喪失電容量或部分喪失電容量.對于低電平沖擊,使電容器的電容量恢復正常.
產生低電平失效的原因主要在于電容器引出線與電容器極板接觸不良,接觸電阻增大,造成電容器完全開路或電容量幅度下降.
精密聚苯乙烯薄膜電容器一般采用鋁箔作為極板,銅引出線與鋁箔極板點焊在一起.鋁箔在空氣中極易氧化;極板表面生成一層氧化鋁半導體薄膜,在低電平條件下氧化膜層上的電壓不足以把它擊穿,因而鋁箔間形成的間隙電容量的串聯等效容量,間隙電容量愈小,串聯等效容量也愈小.因此,低電平容量取決于極板表面氧化鋁層的厚薄,氧化鋁層愈厚,低電平條件下電容器的電容量愈小.此外,電容器在交流電路中工作時,其有效電容量會因接觸電阻過大而下降,接觸電阻很大時有效電容量可減小到開路的程度.即使極板一引線間不存在導電不良的間隔層,也會產生這種后果.
引起精密聚苯乙烯電容器低電平失效的具體因素歸納如下:
① 引線表面氧化或沾層太薄,以致焊接不牢;
② 引線與鋁箔點焊接不良,沒有消除鋁箔表面點焊處的氧化鋁膜層;
③ 單引線結構的焊點數過少,使出現低電平失效的概率增大;
④ 粗引線根部打扁部分接觸面積雖然較大,但點焊后焊點處應力也較大,熱處理或溫循過程中,可能損傷接觸部位,惡化接觸情況;
⑤ 潮氣進入電容器芯子,氧化腐蝕焊點,使接觸電阻增大.
引起云母電容器低電平失效的具體因素歸納如下:
① 銀電極和引出銅箔之間以及銅箔和引線卡之間存在一層很薄的地臘薄膜.低電平條件下,外加電壓不足以擊穿這層絕緣膜,產生間隙電容,并使接觸電阻增大;
② 銀電極和銅箔受到有害氣體侵蝕,使接觸電阻增大.在潮濕的硫氣環境中銀和銅容易硫化,使極板與引線間的接觸電阻上升.
(5)、金屬化紙介電容失效機理
金屬化紙介電容器的極板是真空蒸發在電容器紙表面的金屬膜
A、電參數惡化失效
“自愈”是金屬化電容器的一個獨特優點,但自愈過程頗為復雜,自愈雖能避免電容器立即因介質短路而擊穿,但自愈部位肯定會出現金屬微粒遷移與介質材料受熱裂解的現象.電容器紙由纖維組成,纖維素是碳水化合物類的高分子物質.在高溫下電容器纖維素解成游離狀態的碳原子或碳離子,使自愈部位表面導電能力增加,導致電容器電阻下降、損耗增大與電容減小.嚴重時可使電容器因電參數惡化程度超過技術條件許可范圍而失效.
金屬化紙介電容器在低于額定工作電壓的條件下工作時,自愈能量不足,電容器紙中存在的導電雜質在電場作用于下形成低阻通路,也可導致電容器絕緣電阻降低和損耗增大.
電容器紙是多孔性的極性有機介質材料,極易吸收潮氣.電容器芯子雖浸漬處理,但如果工藝不當或浸漬不純,或在電場作用下工作相當時間后產生浸漬老化現象,則電容器的絕緣電阻將因此降低,損耗也將因此增大.
電容量超差失效產金屬化紙介電容器的一種失效形式.在高溫條件下儲存時金屬化紙介電容器可能因電容量增加過多而失效,在高溫條件下加電壓工作時又可能因電容量減少過多而失效.高溫儲存時半密封型金屬化紙介電容器免不了吸潮,水是強極性物質,其介電常數接近浸漬電容器介電常數的20倍.因此,少量潮氣侵入電容器芯子,也會引起電容量顯著增大.烘烤去濕后電容呈會有所下降.如果電容器在高溫環境中工作,則水分和電場的共同作用會使金屬膜電極產生電解性腐蝕,使極板有效面積減小與極板電阻增大,導致電容量大幅度下降.如果引線與金屬膜層接觸部位產生腐蝕,則接觸電阻增大,電容器的有效電容量將更進一步減小.個別電容器的電容量可降到接近于開路的程度.
B、引線斷裂失效
金屬化紙介電容器在高濕環境中工作時,電容器正端引線根部會遭到嚴重腐蝕,這種電解性腐蝕導致引線機械強度降低,嚴重時可造成引線斷裂失效.

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