陶瓷電容是用高介電常數(shù)的電容器陶瓷〈鈦酸鋇一氧化鈦〉擠壓成圓管、圓片或圓盤作為介質(zhì)，并用燒滲法將銀鍍在陶瓷上作為電極制成。它又分高頻瓷介和低頻瓷介兩種。

　　一、陶瓷電容—用途

　　在大功率、高壓領(lǐng)域使用的高壓陶瓷電容器，要求具有小型、高耐壓和頻率特性好等特點。隨著材料、電極和制造技術(shù)的進步，高壓陶瓷電容器的發(fā)展有長足的進展，并取得廣泛應用。高壓陶瓷電容器已成為大功率高壓電子產(chǎn)品不可缺少的元件之一。高壓陶瓷電容器的用途主要分為送電、配電系統(tǒng)的電力設(shè)備和處理脈沖能量的設(shè)備。

　　二、陶瓷電容—耐壓不良失效分析（案例）

　　造成陶瓷電容耐壓不良原因為二次包封模塊固化過程中及固化后應力作用造成陶瓷-環(huán)氧界面存在間隙，導致其耐壓水平降低。

　　1、NG=過程不良，應用于生產(chǎn)制造管理

　　2、SEM（scanning electron microscope）：掃描式電子顯微鏡

　　3、EDS（Energy Dispersive Spectrometer）：X光微區(qū)分析

　　1、陶瓷電容—客戶端耐壓不良。

　　分析方法簡述

　　（1）通過對 NG 樣品、OK 樣品進行了外觀光學檢查、金相切片分析、SEM/EDS 分析及模擬試驗后，發(fā)現(xiàn) NG 樣品均存在明顯的陶瓷-環(huán)氧界面脫殼，產(chǎn)生了氣隙，此氣隙的存在會嚴重影響電容的耐壓水平。 從測試結(jié)果，可以明顯看到在陶瓷-環(huán)氧分離界面的裂縫位置存在明顯的碳化痕跡，且碳化嚴重區(qū)域基本集中在邊緣封裝較薄區(qū)域，而 OK 樣品未見明顯陶瓷-環(huán)氧界面脫殼分離現(xiàn)象。

　　（2）NG 樣品與 OK 樣品結(jié)構(gòu)成分一致，未見結(jié)構(gòu)明顯異常。失效的樣品是將未封樣品經(jīng)焊接組裝灌膠，高溫固化后組成單元模塊進行使用的。取樣品外封環(huán)氧樹脂進行玻璃轉(zhuǎn)化溫度測試，發(fā)現(xiàn)未封樣品的外封環(huán)氧樹脂玻璃轉(zhuǎn)化溫度較低，懷疑因為灌膠的高溫超過了陶瓷電容的環(huán)氧樹脂封體的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，達到了其粘流態(tài)，導致陶瓷基體和環(huán)氧界面脫粘產(chǎn)生氣隙。

　　隨著環(huán)氧樹脂固化冷卻過程體積收縮，產(chǎn)生的內(nèi)應力以殘余應力的形式保留在包封層中，并作用于陶瓷-環(huán)氧界面，劣化界面的粘結(jié)，此時的形變就很難恢復。然后在外部電場力（耐壓加電測試）的作用下，在間隙路徑上產(chǎn)生了弱點擊穿。

　　圖 1.樣品外觀典型外觀

　　對委托方提供的樣品進行金相切片，NG 樣品環(huán)氧樹脂封層和陶瓷基材分層明顯，兩電極間的裂縫通路上有碳化的痕跡，OK 樣品未見異常。

　　樣品切片后，對剖切面進行 SEM/EDS 分析，NG 樣品環(huán)氧樹脂和陶瓷基材分層明顯，且有明顯的碳化痕跡

　　取未封 OK 樣品外層環(huán)氧樹脂材料若干，進行 DSC 熱分析，檢測其 Tg 溫度點。

　　2、陶瓷電容—DSC熱分析法

　　DSC熱分析法（Differential Scanning calorimeter），又稱差示掃描量熱法，是六十年代以后研制出的一種熱分析方法。

　　它是在程序控制溫度下，測量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度的關(guān)系。差示掃描量熱儀記錄到的曲線稱DSC曲線。根據(jù)測量的方法的不同，又分為兩種類型：功率補償型DSC和熱流型DSC。它以樣品吸熱或放熱的速率，即熱流率dH/dt（單位毫焦/秒）為縱坐標，以溫度T或時間t為橫坐標，可以測定多種熱力學和動力學參數(shù)，例如比熱容、反應熱、轉(zhuǎn)變熱、相圖、反應速率、結(jié)晶速率、高聚物結(jié)晶度、樣品純度等。該法使用溫度范圍寬（-175~725℃）、分辨率高、試樣用量少。適用于無機物、有機化合物及藥物分析。

　　3、 陶瓷電容—失效模式分析

　　（1）在電場作用下，陶瓷電容器的擊穿破壞遵循弱點擊穿理論，而局部放電是產(chǎn)生弱點破壞的根源。除因溫度冷熱變化產(chǎn)生熱應力導致開裂外，對于環(huán)氧包封型高壓陶瓷電容，無論是留邊型還是滿銀型電容都存在著電極邊緣電場集中和陶瓷-環(huán)氧的結(jié)合界面等比較薄弱的環(huán)節(jié)。環(huán)氧包封陶瓷電容器由于環(huán)氧樹脂固化冷卻過程體積收縮，產(chǎn)生的內(nèi)應力以殘余應力的形式保留在包封層中，并作用于陶瓷-環(huán)氧界面，劣化界面的粘結(jié)。在電場作用下，組成高壓陶瓷電容瓷體的鈣鈦礦型鈦酸鍶鐵類陶瓷（SPBT）會發(fā)生電機械應力，產(chǎn)生電致應變。當環(huán)氧包封層的殘余應力較大時，二者聯(lián)合作用極可能造成包封與陶瓷體之間脫殼，產(chǎn)生氣隙，從而降低電壓水平。

　　（2）介質(zhì)內(nèi)空洞：導致空洞產(chǎn)生的主要因素為陶瓷粉料內(nèi)的有機或無機污染、燒結(jié)過程控制不當?shù)取？斩吹漠a(chǎn)生極易導致漏電，而漏電又導致器件內(nèi)局部發(fā)熱，進一步降低陶瓷介質(zhì)的絕緣性能從而導致漏電增加。該過程循環(huán)發(fā)生，不斷惡化，導致其耐壓水平降低。

　　（3）包封層環(huán)氧材料因素：一般包封層厚度越厚，包封層破壞所需的外力越高。在同樣電場力和殘余應力的作用下，陶瓷基體和環(huán)氧界面的脫粘產(chǎn)生氣隙較為困難。另外固化溫度的影響，隨著固化溫度的提高，高壓陶瓷電容的擊穿電壓會越高，因為高溫固化時可以較快并有效地減少殘余應力。隨著整體模塊灌膠后固化的高溫持續(xù)，當達到或超過陶瓷電容器外包封層環(huán)氧樹脂的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，達到了粘流態(tài)，陶瓷基體和環(huán)氧界面的脫粘產(chǎn)生了氣隙，此時的形

　　變就很難恢復，這種氣隙會降低陶瓷電容的耐壓水平。

　　（4）機械應力裂紋：陶瓷體本身屬于脆性較高的材料，在產(chǎn)生和流轉(zhuǎn)過程中較大的應力可能造成應力裂紋，導致耐壓降低。常見的應力源有：工藝過程電路板流轉(zhuǎn)操作；流轉(zhuǎn)過程中的人、設(shè)備、重力等因素；元件接插操作；電路測試；單板分割；電路板安裝；電路板定位鉚接；螺絲安裝等。

　　4、陶瓷電容—失效分析結(jié)論

　　綜合以上測試分析可知，導致樣品失效的原因為：

　　1）。直接原因：陶瓷-環(huán)氧界面存在間隙，導致其耐壓水平降低。

　　2）。間接原因：a.二次包封模塊固化過程中產(chǎn)生了環(huán)氧材料應力收縮，致使陶瓷-環(huán)氧界面劣化，形成了弱點放電的路徑。

　　b.二次包封模塊固化后，樣品放置時間過短，其內(nèi)部界面應力未完全釋放出來，在陶瓷-環(huán)氧界面存在微裂紋，導致耐壓水平降低。
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　　三、陶瓷電容—導致失效的七大原因解析

　　1）潮濕對電參數(shù)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。此外，對于半密封結(jié)構(gòu)電容器來說，水分還可滲透到電容器介質(zhì)內(nèi)部，使電容器介質(zhì)的絕緣電阻絕緣能力下降。因此，高溫、高濕環(huán)境對電容器參數(shù)惡化的影響極為顯著。經(jīng)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，電容器的工作于高溫條件下，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(chǎn)生電化學腐蝕。即使烘干去濕，也不可能使引線復原。

　　2）銀離子遷移的后果

　　無機介質(zhì)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(nèi)部的水分子產(chǎn)生電解。在陽極產(chǎn)生氧化反應，銀離子與氫氧根離子結(jié)合生產(chǎn)氫氧化銀；在陰極產(chǎn)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(xù)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(fā)生在無機介質(zhì)表面，還能擴散到無機介質(zhì)內(nèi)部，引起漏電流增大，嚴重時可使用兩個銀電極之間完全短路，導致電容器擊穿。（易容網(wǎng)：http://www.mlcc1.com）

　　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(zhì)的氧化銀，使無介質(zhì)電容器的等效串聯(lián)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(zhì)電容器兩電極間介質(zhì)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(zhì)電容器電性能惡化，而且可能引起介質(zhì)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(xiàn)象，比其他類型的陶瓷介質(zhì)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(jié)構(gòu)。銀電極與陶瓷介質(zhì)一次燒結(jié)過程中，銀參與了陶瓷介質(zhì)表面的固相反應，滲入了瓷-銀接觸形成界面層。如果陶瓷介質(zhì)不夠致密，則水分滲入后，銀離子遷移不僅可以在陶瓷介質(zhì)表面發(fā)生，還可能穿透陶瓷介質(zhì)層。多層疊片結(jié)構(gòu)的縫隙較多，電極位置不易，介質(zhì)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(zhì)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(chǎn)生短路現(xiàn)象。

　　3）高溫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(huán)境條件下工作時，發(fā)生擊穿失效是比較普遍的嚴重問題。所發(fā)生的擊穿現(xiàn)象大約可以分為介質(zhì)擊穿和表面極間飛弧擊穿兩類。介質(zhì)擊穿按發(fā)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(zhì)材料與生產(chǎn)工藝方面存在的缺陷，這些缺陷導致陶瓷介質(zhì)介電強度顯著降低，以至于在高濕度環(huán)境的電場作用下，電容器在耐壓試驗過程中或工作初期，就產(chǎn)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(xiàn)象多發(fā)生在管形或圓片形的小型瓷介質(zhì)電容器中，因為擊穿時局部發(fā)熱嚴重，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(zhì)中，負荷條件下還可能產(chǎn)生二氧化鈦的還原反應，使鈦離子由四價變?yōu)槿齼r。陶瓷介質(zhì)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(xiàn)象比不含二氧化鈦的陶瓷介質(zhì)電容器更加嚴重。

　　銀離子遷移使電容器極間邊緣電場發(fā)生嚴重畸變，又因高濕度環(huán)境中陶瓷介質(zhì)表面凝有水膜，使電容器邊緣表面電暈放電電壓顯著下降，工作條件下產(chǎn)生表面極間飛弧現(xiàn)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(jié)構(gòu)、極間距離、負荷電壓、保護層的疏水性與透濕性等因素有關(guān)。邊緣表面極間飛弧擊穿的主要原因是，介質(zhì)留邊量較小，在潮濕環(huán)境中工作時的銀離子遷移和表面水膜形成使電容器邊緣表面絕緣由于銀離子遷移的產(chǎn)生與發(fā)展需要一段時間，所以在耐壓試驗初期，失效模式以介質(zhì)擊穿為主，直到試驗500h以后，只要失效模式才過度為邊緣表面極間飛弧擊穿。

　　4）電極材料的改進

　　陶瓷電容器一直使用銀電極。銀離子遷移和由此而引起含鈦陶瓷介質(zhì)的加速老化是導致陶瓷電容器失效的主要原因。有的廠家生產(chǎn)陶瓷電容器已不用銀電極，而改用鎳電極，在陶瓷基片上采用化學鍍鎳工藝。由于鎳的化學穩(wěn)定性比銀好，電遷移率低，提高了陶瓷電容器的性能和可靠性。

　　又如，以銀做電極的獨石低頻瓷介質(zhì)電容器，由于銀電極和瓷料在900℃下一次燒結(jié)時瓷料欠燒不能獲得致密的陶瓷介質(zhì)，存在較大的氣孔率；此外銀電極常用的助溶劑氧化鋇會滲透到瓷體內(nèi)部，在高溫下依靠氧化鋇和銀之間良好的浸潤“互熔”能力，使電極及介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)熱擴散現(xiàn)象，即宏觀上看到的“瓷吸銀”現(xiàn)象。銀伴隨著氧化鋇進入瓷體中后，大大減薄了介質(zhì)的有效厚度，引起產(chǎn)品絕緣電阻的減少和可靠性的降低。為了提高獨石電容器的可靠性，改用銀-鈀電極代替通常含有氧化鋇的電極，并且在材料配方中添加了1%的5#玻璃粉。消除了在高溫下一次燒結(jié)時金屬電極向瓷介質(zhì)層的熱擴散現(xiàn)象，能促使瓷料燒結(jié)致密化，使得產(chǎn)品的性能和可靠性有較大提高，與原工藝和介質(zhì)材料相比較，電容器的可靠性提高了1~2個數(shù)量級。

　　5）疊片陶瓷電容器的斷裂

　　疊片陶瓷電容器常見的失效是斷裂，這是疊片陶瓷電容器自身介質(zhì)的脆性決定的。由于疊片陶瓷電容器直接焊接在電路板上，直接承受來自電路板的各種機械應力，而引線式陶瓷電容器則可以通過引腳吸收來自電路板的機械應力。因此，對于疊片陶瓷電容器來說，由于熱膨脹系數(shù)不同或電路板彎曲所造成的機械應力將是疊片陶瓷電容器斷裂的主要因素。

　　6）疊片陶瓷電容器的斷裂分析

　　疊片陶瓷電容器機械斷裂后，斷裂處的電極絕緣間距將低于擊穿電壓，會導致兩個或多個電極之間的電弧放電而徹底損壞疊片陶瓷電容器。

　　疊片陶瓷電容器機械斷裂的防止方法主要有：盡可能地減少電路板的彎曲，減小陶瓷貼片電容在電路板上的應力，減小疊片陶瓷電容器與電路板的熱膨脹系數(shù)的差異而引起的機械應力。

　　如何減小疊片陶瓷電容器在電路板上的應力將在下面另有敘述，這里不再贅述。減小疊片陶瓷電容器與電路板的熱膨脹系數(shù)的差異而引起的機械應力，可以通過選擇封裝尺寸小的電容器來減緩，如鋁基電路板應盡可能用1810以下的封裝，如果電容量不夠可以采用多只并聯(lián)的方法或采用疊片的方法解決，也可以采用帶有引腳的封裝形式的陶瓷電容器解決。

　　7）疊片陶瓷電容器電極端頭被熔淋

　　在波峰焊焊接疊片陶瓷電容器時可能會出現(xiàn)電極端頭被焊錫熔掉了。其原因主要是波峰焊疊片陶瓷電容器接觸高溫焊錫的時間過長。現(xiàn)在在市場上的疊片陶瓷電容器分為適用于回流焊工藝的和適用于波峰焊工藝的，如果將適用于回流焊工藝的疊片陶瓷電容器用于波峰焊，很可能發(fā)生疊片陶瓷電容器電極端頭的熔淋現(xiàn)象。關(guān)于不同焊接工藝下疊片陶瓷電容器電極端頭可以承受的高溫焊錫的時間特性，在后面的疊片陶瓷電容器的適用注意事項中有詳盡敘述，這里不在贅述。

　　消除的辦法很簡單，就是在使用波峰焊工藝時，盡可能地使用符合波峰焊工藝的疊片陶瓷電容器；或者盡可能不采用波峰焊工藝。