鉭電容器失效分析概述

1、鋰電容器失效分析概述1、前言要對(duì)電容器進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖Х治?，有必要全面了解電容器的結(jié)構(gòu)。電容器因其使用的材料及其結(jié)構(gòu)不同分為不同的類(lèi)型：鋁電容器、陶瓷電容器、鋁電容器等（見(jiàn)表1）。每種電容器因其提供獨(dú)有的特性而具有特殊的應(yīng)用。如同三明治一樣，簡(jiǎn)單的電容器是把一個(gè)絕緣體材料夾在兩個(gè)導(dǎo)體之間，通過(guò)導(dǎo)體施加偏置電壓。電容器容量（C）由如下等式給出，其中e,A和t分別表示介電常數(shù)，表面積以及厚度。C = eA/t（等式 1）表1 不同類(lèi)型的電容器電介質(zhì)陽(yáng)極/陰極結(jié)構(gòu)后無(wú)極性鋰電容器五氧化二鋰鋁/ MnO2鋁/導(dǎo)電聚合物 鋁/液體電解質(zhì)具有局比表向積 的多孔粗陽(yáng)極有鋁電容器氧化鋁鋁/導(dǎo)電聚合物 鋁/液體電

2、解質(zhì)具有哥比表面積 的蝕刻鋁箔膜有陶瓷電容器BaTiO3/ ZrTiO 3等賤金屬電極（BME）如銅、饃 貴金屬電極（PME）如銀、鋁具有哥比表面積 的分層結(jié)構(gòu)無(wú)薄膜電容器金屬，如鋅、鋁等具有哥比表面積 的分層結(jié)構(gòu)無(wú)電子設(shè)備的小型化要求在更小的容積下提供更高的容量。在小容積下獲得高容量的一種方式是增加等式1中的“A”表面積。不同類(lèi)型電容器獲得的方式是不同的。比如鋰電容器,可通過(guò)使用多孔粗陽(yáng)極來(lái)獲得（高比表面積），通常陽(yáng)極塊是由鋁粉連同鋁絲一起壓制并燒結(jié)后制成的。然后用電化學(xué)的方式在高比表面積多孔粗陽(yáng)極塊上生成無(wú)定形Ta2Q電介質(zhì)。一般Ta2O5電介質(zhì)層只有幾十個(gè)納米厚。 然后使用陰極材料浸漬多

3、孔陽(yáng)極塊 （MnO2或是導(dǎo)電層），在小的容積中生成高容量（見(jiàn)圖 1）。一般固體鋰電容器使用在 100V以下，其中多數(shù)情況下是使用在50V以下。濕式鋰電容器（陰極是液體）工作電壓可以高一些，可以達(dá)到幾百伏。圖1 （a）鋰電容器結(jié)構(gòu)示意圖（b）所示的是鋁陽(yáng)極塊內(nèi)部的鋁/電介質(zhì)/MnO2陰極（c）所示的是陽(yáng)極塊內(nèi)部的鋁./電介質(zhì)/導(dǎo)電聚合物陰極對(duì)于陶瓷和薄膜電容器來(lái)說(shuō)，其電介質(zhì)層和電極材料是分別交互堆積的，這種交互堆積的電極可以避免極性相對(duì)的電極接觸。圖2所示的是陶瓷電容器的典型結(jié)構(gòu)。幾十到上百（陶瓷電容器中）甚至上千（薄膜電容器）電極層堆積起來(lái)，已獲得需要的容量。圖2陶瓷電容器的典型結(jié)構(gòu)6 / 5

4、因?yàn)椴煌?lèi)型電容器的材料和結(jié)構(gòu)有明顯的差異（見(jiàn)表 1,圖1和圖2）,所以引起電容器失 效的原因也有所不同。因此，每一種條件都需有特定的失效分析方法。 需要注意的是失效電容器 的失效分析是一種全面的因果分析， 包括對(duì)電路和應(yīng)用條件的分析。 本文所論述的是片式鑰.電容 器的失效分析概述。鋰電容器的電失效模式可以分成三種類(lèi)型： 高漏電流/短路、高等效串聯(lián)電阻以及開(kāi)路 /低容 量，多數(shù)的失效集中在高漏電流 /短路上。每一種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類(lèi)型來(lái)確定，這在下面會(huì)討論。 在討論破壞性分析之前，有必要在不進(jìn)一步損壞破壞電容器的條件下盡可能多的獲取有關(guān)鋰電容器的物理和電性

5、能的數(shù)據(jù)。接觸到與電容器有關(guān)的背景信息和使用條件，例如電路板的貼裝、貯存、使用參數(shù)、環(huán)境條件、無(wú)故障工作時(shí)間等等，要盡可能多的收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，因?yàn)閱我粩?shù)據(jù)是不能確定出電容器失效的根本原因。圖3所列的是片式鑰.電容器最常見(jiàn)的失效原因（分為使用過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程兩部分），這將有助于對(duì)鑰.電容器進(jìn)行失效分析。值得注意的是，由使用條件或是生產(chǎn)異常所引起的電容器失效是非常相似的（b）使用過(guò)程生產(chǎn)及春圖3引起鑰.電容器失效的常見(jiàn)原因（a）高漏電流/短路 （b）高ESR2、非破壞性分析由于對(duì)失效定義的解釋是變化的，因此失效分析人員了解電容器失效的類(lèi)型就變得很重要。在所有的情況中，電容器的驗(yàn)貨檢驗(yàn)是可以和其產(chǎn)

6、品規(guī)范相比較的。此外，無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)的結(jié)果 將有助于確定一條能查明導(dǎo)致電容器失效根本原因的途徑。理論上講，失效電容器最初應(yīng)該能在電路板上進(jìn)行檢查。這要證實(shí)電容器的安裝極性是正確的。如果在沒(méi)有任何外部應(yīng)力存在的情況下，電容器的檢查（電路板狀態(tài)）及其環(huán)境應(yīng)有利于識(shí)別。焊接點(diǎn)的分析應(yīng)盡可能的識(shí)別出手工返工的狀態(tài)。其次，電容器的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)可檢查。電容器的外部檢查一般使用立體顯微鏡進(jìn)行控制，立體顯微鏡能顯示出諸如模塑環(huán)氧的裂縫、褪色、熱/機(jī)械損傷、返工等缺陷。外部缺陷的確定是鑰.電容器失效的原因之一，但是失效的結(jié)果 并不關(guān)鍵，因?yàn)樗锌赡軐⒏驹蚍治鲥e(cuò)誤。X光檢測(cè)可以檢查電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其任何異

7、常狀態(tài)（陽(yáng)極未對(duì)準(zhǔn)，弱正極或是負(fù)極接觸等）。隨著X光分辨率的改善和計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度加快， X光斷層照相術(shù)正成為分析電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種有益的工具。物理檢查和X光檢查之后，對(duì)驗(yàn)貨狀態(tài)的電容器電性參數(shù)也要進(jìn)行記錄。當(dāng)然這要以不進(jìn)一步損傷電容器的方式進(jìn)行。毋容置疑，電容器必須要與電路進(jìn)行電隔離。所有的鑰.電容器制造商都會(huì)將其生產(chǎn)的電容器以特有的方式進(jìn)行標(biāo)識(shí)，一般會(huì)提供出制造商名稱(chēng)、容量、額定電壓、日期/批次代碼以及極性。這樣做的一個(gè)重要原因是確保失效的電容器不是假冒好品。對(duì)于電容器電性，所要做的第一件事情就是檢查鋰電容器的直流電阻，一般使用萬(wàn)用表檢查。這樣做是要使有效電流維持在很低的水平下。小于8的直

8、流電流表明電容器具有高電流或是處于短路狀態(tài)。接著，在適當(dāng)頻率下使用LCRB式儀在0.5或是IVrms條件檢測(cè)容量、損耗因子（ DF）以及ESR需要注意的是短路電容器的容量、D林口 ES遑不滿(mǎn)足規(guī)范要求的。由于電容器具有 “自愈”功能，因此測(cè)試漏電流必須要十分小心。MnO鋰電容器 和聚合物鑰.電容器的自愈機(jī)理是有差別的。 3、iWj漏電流/短路失效如果電容器具有小于8的 DCR說(shuō)明在電容器的正負(fù)極之間存在導(dǎo)電路徑。假設(shè)電容器與電 路之間被隔離，要么是泄漏通道通過(guò)鑰.陽(yáng)極塊（電介質(zhì)層已經(jīng)被損壞），要么旁路鑰.陽(yáng)極塊，在 正負(fù)極之間形成了導(dǎo)電路徑。應(yīng)該檢查電容器，以確保在外部不存在電路橋。正如圖 3

9、中所示，可能還有一些引起導(dǎo)電路徑的原因，這可以大體分為使用或是生產(chǎn)兩種方式。在進(jìn)行任何破壞性分析之前了解電容器內(nèi)部的失效點(diǎn)位置是非常有益的，特別是對(duì)大殼號(hào)和多陽(yáng)極鋰電容器來(lái)說(shuō)。 圖4所示的是高漏電流電容器的熱成像圖，其中電容器耐受了額定電壓，并在短時(shí)間內(nèi)施加了非常少量的電流。在失效點(diǎn)局部的內(nèi)熱會(huì)引起局部溫度的輕微提升，這可以通過(guò)熱成像系統(tǒng)記錄下來(lái)。熱成像和X光分析結(jié)合使用可以精確的確定出失效部位。這種方法增加失效分析成功幾率， 并可縮短失效分析的時(shí)間。然后橫切電容器直到失效點(diǎn)，陽(yáng)極和電極的任何異常都能分析到。如果電容器不存在外形異常，其DCK股在幾百千歐到幾百兆歐這樣的范圍內(nèi)，不會(huì)觀察到熱量點(diǎn)

10、，為確保產(chǎn)品真的具有高漏電流，應(yīng)該額定電壓下測(cè)量該值。圖4鑰.電容器的熱成像所顯示的失效位置的高溫點(diǎn)基于這種失效模式，要檢查鋁陽(yáng)極的完整性和電介質(zhì)的質(zhì)量，就要使用化學(xué)的方法對(duì)鑰.電容器進(jìn)行剝離。一般要實(shí)現(xiàn)比較致密的鑰.電介質(zhì)，可使用電化學(xué)的方法，在兩到三倍電容器額定電壓條件下生成。電介質(zhì)中的瑕疵，例如如圖5所示的結(jié)晶氧化物，可以通過(guò)剝離電極層的方式進(jìn)行檢查。結(jié)晶氧化物疵點(diǎn)削弱了無(wú)定形電介質(zhì)，從而提供出一個(gè)導(dǎo)電通道。少量存在的疵點(diǎn)可通過(guò)鋰電容器的自愈機(jī)理將其隔離。與此相同的是，結(jié)晶氧化物在高壓電容器（一般是35渡者更高）中更加顯著，大量疵點(diǎn)的出現(xiàn)引起電容器出現(xiàn)問(wèn)題。過(guò)去的幾年中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些方

11、法來(lái)減小或是消除結(jié)晶氧化物的生長(zhǎng)。0 OkV 7 8mm x1OOk SE(U) 5/11/2006圖5鑰,陽(yáng)極塊上的結(jié)晶點(diǎn)像其他電子元件一樣，鑰,電容器也會(huì)因使用條件而出現(xiàn)失效（圖3a）。作為一種極性元件，鋰電容器能在短暫時(shí)間內(nèi)耐受少量的反向偏置電壓；但是，不允許電容器承受反極性連接。如果遭受反向偏置電壓， 電容器會(huì)變得不可靠，但是某種情況下， 有可能取一些相同電路上的類(lèi)似電容器做反向拐點(diǎn)電壓測(cè)試。如果電容器是屬于那種已經(jīng)遭受過(guò)反向偏置電壓的電容器，這種測(cè)試會(huì)有助于驗(yàn)證效果。電路穩(wěn)定性也是一個(gè)重要因素。高浪涌電流和高浪涌電壓也會(huì)損傷電介質(zhì)，引起失效。不正確的使用條件和有問(wèn)題的電介質(zhì)最終導(dǎo)致的

12、結(jié)果就是出現(xiàn)局部高溫。確保在特定應(yīng)用中使用恰當(dāng)?shù)碾娙萜魇橇硗庖粋€(gè)要考慮的問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，表面貼裝鑰.電容器不是密封，因此吸收水分?；亓骱高^(guò)程中電容器中明顯存在的潮氣會(huì)在電容器內(nèi)部產(chǎn)生大量的蒸汽，某種情況下，這會(huì)導(dǎo)致模塑環(huán)氧料破裂，將有更多的潮氣滲入到內(nèi)部。在貯存或是使用過(guò)程中進(jìn)一步的高濕和高溫的暴露過(guò)程也能導(dǎo)致電容器內(nèi)部導(dǎo)電物 質(zhì)化學(xué)/電化學(xué)遷移，最終出現(xiàn)漏電通路。4、高ESRe效引起高ESRI的原因主要可以分成兩類(lèi)：連接不良或是材料電阻率的增加（圖3b）。再一個(gè)，在進(jìn)行破壞性分析之前，必須要在適當(dāng)?shù)念l率下測(cè)量ESR直高低的狀態(tài)，更重要的是，必須要確保測(cè)試探針和電容器端子之間保持正確的連接。焊

13、接點(diǎn)上存在的保形涂料或助焊劑、不合適的焊料/粘接、端子/焊接點(diǎn)的氧化、不合適的探針等等可能造成ESR1比實(shí)際的要高。電容器在拾放、貼裝、回流焊和使用期間會(huì)暴露在機(jī)械/熱機(jī)械應(yīng)力下，這種應(yīng)力會(huì)影響到電容器的ESR這些類(lèi)型的應(yīng)力能連累到外部或是內(nèi)部的連接，導(dǎo)致高ESR 一般使用在鑰.電容器中的材料，其熱膨脹系數(shù)大不一致，當(dāng)暴露在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的高溫期間時(shí)，能產(chǎn)生機(jī)械熱應(yīng)力， 導(dǎo)致ESR直出現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)電容器暴露在一個(gè)相對(duì)高溫高濕的環(huán)境中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)外部引線氧化，引起高ESFRto由于鋰電容器不是完全的密封，在高溫高濕的條件下，水分能滲入到電容器內(nèi)部，導(dǎo)致引線端子氧化，電極層出現(xiàn)破裂/ 分層。從鋰電容器的生

14、產(chǎn)角度看，多數(shù)ESR可題是從陰極層產(chǎn)生的，包括陰極層分層、陰極層過(guò)厚、 陰極層缺失的等等。ESR可題很少和正極連接問(wèn)題有聯(lián)系，一般是由于鋁絲與正極引線框架出現(xiàn) 虛連接而引起的。全面的 X光分析能暴露一些內(nèi)部連接的問(wèn)題。剖面電容器的光學(xué)或是掃描電鏡 分析將更有助于確定其根本原因。剖面電容器也能用微探針?lè)治?，確定到底哪一層對(duì)電容器的高ESRI影響最大。這個(gè)過(guò)程必須要非常細(xì)致地做，因?yàn)橄衿是屑夹g(shù)這樣的破壞性分析技術(shù)能引起樣品制備瑕疵。5、 低容量 /開(kāi)路正常條件下鉭電容器的容量不會(huì)出現(xiàn)明顯的改變，這種失效模式并不常見(jiàn)。一般， 在顧客入廠檢查下明顯的低容量一般是由電容器有毛病或是貼錯(cuò)標(biāo)簽引起的。使用中電容器的電容量是由