電容器的常見失效模式有:擊穿、開路、電參數(shù)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(jié)構(gòu)、制造工藝、性能和使用環(huán)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(chǎn)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(zhì)材料有疵點或缺陷,或含有導(dǎo)電雜質(zhì)或?qū)щ娏Ｗ?

② 電介質(zhì)的電老化與熱老化;

③ 電介質(zhì)內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng);

④ 銀離子遷移;

⑤ 電介質(zhì)在電容器制造過程中受到機械損傷;

⑥ 電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)改變;

⑦ 在高濕度或低氣壓環(huán)境中極間飛弧;

⑧ 在機械應(yīng)力作用下電介質(zhì)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(fā)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(zhì)干涸或凍結(jié);

⑥ 機械應(yīng)力作用下電介質(zhì)瞬時開路.

(3) 引起電容器電參數(shù)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(yīng);

④ 電介質(zhì)電老化與熱老化;

⑤ 工作電解液揮發(fā)和變稠;

⑥ 電極腐蝕;

⑦ 濕式電解電容器中電介質(zhì)腐蝕;

⑧ 雜質(zhì)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(nèi)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(huán)境中電場作用下產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕;

② 電解液沿引線滲漏,使引線遭受化學(xué)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(jié)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(shè)計不合理

③ 絕緣了選用不當(dāng)

④ 環(huán)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(yīng)力與環(huán)境應(yīng)力綜合作用下,工作一段時間后,會分別或同時產(chǎn)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(chǎn)生多種失效模式.失效模式與失效機理之間的關(guān)系不是一一對應(yīng)的.

2、電容器失效機理分析

(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.此處,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(xué)腐蝕.即使烘干去濕,也不可能引線復(fù)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(yīng),銀離子與氫氧根離子結(jié)合生成氫氧化銀.在陰極產(chǎn)生還原反應(yīng)、氫氧化銀與氫離子反應(yīng)生成銀和水.由于電極反應(yīng),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,銀離子還能擴散到無機介質(zhì)內(nèi)部,引起漏電流增大,嚴重時可使兩個銀電極之間完全短路,導(dǎo)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(dǎo)體性質(zhì)的氧化銀,使無機介質(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(dǎo)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,最后導(dǎo)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)一次燒也過程中,銀參與了陶瓷介質(zhì)表面的固相反應(yīng),滲入了瓷-銀接觸處形成界面層.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,電極位置不易精確,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(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(dǎo)致陶瓷介質(zhì)電強度顯著降低,以致于在高濕度環(huán)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(chǎn)生電擊穿.老化擊穿大多屬于電化學(xué)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(dāng)普遍的問題.銀遷移形成的導(dǎo)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電容器中,因為擊穿時局部發(fā)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(zhì)中,負荷條件下還可能產(chǎn)生二氧化鈦的還原反應(yīng),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(dǎo)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).主要就是邊緣表面極間飛弧擊穿,原因是介質(zhì)留邊量較小,在潮濕環(huán)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,最終導(dǎo)致?lián)舸?高濕度環(huán)境中尤其嚴重.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,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(zhì)材料,具有很高的絕緣性能,耐高溫,介質(zhì)損耗小,厚度可薄達25微米.云母電容器的主要優(yōu)點是損耗小,頻率穩(wěn)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(shù)十年內(nèi),有機薄膜電容器獲得迅速發(fā)展,其中聚苯乙烯薄膜電容器具有損耗小、絕緣電阻大、穩(wěn)定性好、介質(zhì)強度高等優(yōu)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(yīng)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(jì)60年代以來出現(xiàn)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(xiàn)的電容器開路或容量下降超差等失效現(xiàn)象.60年代以來半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用,半導(dǎo)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(xiàn)是電容器完全喪失電容量或部分喪失電容量.對于低電平?jīng)_擊,使電容器的電容量恢復(fù)正常.

產(chǎn)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(dǎo)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(lián)等效容量,間隙電容量愈小,串聯(lián)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(dǎo)電不良的間隔層,也會產(chǎn)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(jié)構(gòu)的焊點數(shù)過少,使出現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)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(huán)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(fā)在電容器紙表面的金屬膜

A、電參數(shù)惡化失效

“自愈”是金屬化電容器的一個獨特優(yōu)點,但自愈過程頗為復(fù)雜,自愈雖能避免電容器立即因介質(zhì)短路而擊穿,但自愈部位肯定會出現(xiàn)金屬微粒遷移與介質(zhì)材料受熱裂解的現(xiàn)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(zhì).在高溫下電容器纖維素解成游離狀態(tài)的碳原子或碳離子,使自愈部位表面導(dǎo)電能力增加,導(dǎo)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(shù)惡化程度超過技術(shù)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(dǎo)電雜質(zhì)在電場作用于下形成低阻通路,也可導(dǎo)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(zhì)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(dāng)或浸漬不純,或在電場作用下工作相當(dāng)時間后產(chǎn)生浸漬老化現(xiàn)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(chǎn)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(zhì),其介電常數(shù)接近浸漬電容器介電常數(shù)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(huán)境中工作,則水分和電場的共同作用會使金屬膜電極產(chǎn)生電解性腐蝕,使極板有效面積減小與極板電阻增大,導(dǎo)致電容量大幅度下降.如果引線與金屬膜層接觸部位產(chǎn)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(huán)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(dǎo)致引線機械強度降低,嚴重時可造成引線斷裂失效.

(6)、鋁電解電容器的失效機理

鋁電解電容器正極是高純鋁,電介質(zhì)是在金屬表面形成的三氧化二鋁膜,負極是黏稠狀的電解液,工作時相當(dāng)一個電解槽.鋁電解電容器常見失效模式有:漏液、爆炸、開路、擊穿、電參數(shù)惡化等,有關(guān)失效機理分析如下.

A、漏液

鋁電解電容器的工作電解液泄漏是一個嚴重問題.工作電解液略呈現(xiàn)酸性,漏出的工作電解液嚴重污染和腐蝕電容器周圍的其他元器件和印刷電路板.同時電解電容器內(nèi)部,由于漏液而使工作電解液逐漸干涸,喪失修補陽極氧化膜介質(zhì)的能力,導(dǎo)致電容器擊穿或電參數(shù)惡化而失效.

產(chǎn)生漏液的原因很多,主要是鋁電解電容器密封不佳.采用鋁負極箔夾在外殼邊與封口板之間的封口結(jié)構(gòu)時很容易在殼邊滲漏電解液.采用橡膠塞密封的電容器,也可能因橡膠老化、龜裂而引起漏液.此外,機械密封工藝有問題的產(chǎn)品也容易漏液.總之,漏液與密封結(jié)構(gòu)、密封材料與密封工藝有密切的關(guān)系.

B、爆炸

鋁電解電容器在工作電壓中交流成分過大,或氧化膜介質(zhì)有較多缺陷,或存在氯根、硫酸根之類有害的陰離子,以致漏電流較大時電解作用產(chǎn)生氣體的速率較快,大部分氣體用于修補陽極氧化膜,少部分氧氣儲存在電容器殼內(nèi).工作時間愈長,漏電流愈大,殼內(nèi)氣體愈多,溫度愈高.電容器金屬殼內(nèi)外的氣壓差值將隨工作電壓和工作時間的增加而增大.如果產(chǎn)品密封不佳,則將造成漏液;如果密封良好,又沒有任何防爆措施,則氣壓增大到一定程度就會引起電容器爆炸.高壓大容量電容器的漏電流較大,爆炸可能性更大.目前,已普遍采用防爆外殼結(jié)構(gòu),在金屬外殼上部增加一道褶縫,氣壓高時將褶縫頂開,增大殼內(nèi)容積,從而降低氣壓,減少爆炸危險.

C、開路

鋁電解電容器在高溫或潮熱環(huán)境中長期工作時可能出現(xiàn)開路失效,其原因在于陽極引出箔片遭受電化學(xué)腐蝕而斷裂.對于高壓大容量電容器,這種失效模式較多.此外,陽極引出箔片和陽極箔鉚接后,未經(jīng)充分平,則接觸不良會使電容器出現(xiàn)間歇開路.

鋁電解電容器內(nèi)采用以DMF(二甲基酰胺)為溶劑的工作電解液時,DMF溶液是氧化劑,在高溫下氧化能力更強.工作一段時間后可能因陽極引出箔片與焊片的鉚接部位生成氧化膜而引起電容器開路.如果采用超聲波焊接機把引出箔片與焊點在一起,可則減少這類失效現(xiàn)象.

D、擊穿

鋁電解電容器擊穿是由于陽極氧化鋁介質(zhì)膜破裂,導(dǎo)致電解液直接與陽極接觸而造成的.氧化鋁膜可能因各種材料,工藝或環(huán)境條件方面的原因而受到局部損傷.在外加電場的作用下工作電解液提供的氧離子可在損傷部位重新形成氧化膜,使陽極氧化膜得以填平修復(fù).但是如果在損傷部位存在雜質(zhì)離子或其他缺陷,使填平修復(fù)工作無法完善,則在陽極氧化膜上會留下微孔,甚至可能成為穿透孔,使鋁電解電容器擊穿.

此外,隨著使用和儲存時間的增長,電解液中溶劑逐漸消耗和揮發(fā),使溶液酸值上升,在儲存過程中對氧化膜層發(fā)生腐蝕作用.同時,由于電解液老化與干涸,在電場作用下已無法提供氧離子修補氧化膜,從而喪失了自愈作用,氧化膜一經(jīng)損壞就會導(dǎo)致電容器擊穿.工藝缺陷也是鋁電解電容器擊穿的一個主要原因.如果賦能過程中形成的陽極氧化膜不夠致密與牢固,在后續(xù)的裁片、鉚接工藝中又使氧化膜受到嚴重損傷.這種陽極氧化膜難以在最后的老煉工序中修補完善,以致電容器使用過程中,漏電流很大,局部自愈已挽救不了最終擊穿的命運.又如鉚接工藝不佳時,引出箔條上的毛剌嚴重剌傷氧化膜,刺傷部位漏電流很大,局部過熱使電容器產(chǎn)生熱擊穿.

E、電參數(shù)惡化

A、電容量下降與損耗增大

鋁電解電容器的電容量在工作早期緩慢下降,這是由于負荷過程中工作電解液不斷修補并增厚陽極氧化膜所致.鋁電解電容器在使用后期,由于電解液耗損較多、溶液變稠,電阻率因黏度增大而上升,使工作電解質(zhì)的等效串聯(lián)電阻增大,導(dǎo)致電容器損耗明顯增大.同時,黏度增大的電解液難于充分接觸經(jīng)腐蝕處理的凹凸不平鋁箔表面上的氧化膜層,這樣就使鋁電解電容器的極板有效面積減小,引起電容量急劇下降.這也是電容器使用壽命臨近結(jié)束的表現(xiàn).

此外,如果工作電解液在低溫下黏度增大過多,也會造成損耗增大與電容量急劇下降的后果.硼酸一乙二醇系統(tǒng)工作電解液的低溫性能不佳,黏度過大導(dǎo)致等效串聯(lián)電阻激增,使損耗變大和有效電容量驟減,從而引起鋁電解電容器在嚴寒環(huán)境中使用時失效.

B、漏電流增加

漏電流增加往往導(dǎo)致鋁電解電容器失效.賦能工藝水平低,所形成的氧化膜不夠致密與牢固,開片工藝落后,氧化膜損傷與沾污嚴重,工作電解液配方不佳,原材料純度不高,電解液的化學(xué)性質(zhì)與電化學(xué)性質(zhì)難以長期穩(wěn)定,鋁箔純度不高,雜質(zhì)含量多……這些因素均可能造成漏電流超差失效.

鋁電解電容器中氯離子沾污嚴重,漏電流導(dǎo)致沾污部位氧化膜分解,造成穿孔,促使電流進一步增大.此外,鋁箔的雜質(zhì)含量較高,一般鐵雜質(zhì)顆粒的尺寸大于陽極氧化膜的厚度,使電流易于傳導(dǎo).銅與硅雜質(zhì)的存在影響鋁氧化物向晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變.銅和鋁還可在電解質(zhì)內(nèi)組成微電池,使鋁箔遭到腐蝕破壞.總之,鋁箔中金屬雜質(zhì)的存在,會使鋁電解電容器漏電流增大,從而縮短電容器的壽命.

3、提高電容器可靠性的措施

對材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝進行改進說明.

1、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(dǎo)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(xué)鍍鎳工藝.由于鎳的化學(xué)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.

國產(chǎn)云母電容器的電極材料也是銀,同樣存在銀離子遷移現(xiàn)象.日本海纜通信系統(tǒng)中用的云母器,它的電極材料及電極引線間的連接均采用金,這就保證了云母電容器優(yōu)良的性能和高可靠性.

鍍金云母電容器與鍍銀云母電容器相比較:電容溫度系數(shù),前者約為后者的1/2,且偏差也小;濕度對容量的影響,前者比后者小一個數(shù)量級,且是可逆的;損耗角正切值,前者比后者小個數(shù)量級;在電壓負荷下電容量相對變化率,前者約為后者的1/5~1/10.據(jù)推算,鍍金云母電容器工作20年的電容量變化率≤±0.1%.

改進電極材料的另一個例子是金屬化紙介電容器.金屬化紙介電容器都采用鋅蒸發(fā)在電容器紙上形成的金屬層作為電極.鋅膜在空氣中易氧化,生成半導(dǎo)體性質(zhì)的氧化鋅,而且會繼續(xù)向底層氧化,造成板極電阻的增加和電容器損耗的增大.此外,鋅金屬化膜在潮濕環(huán)境下易腐蝕.鋅金屬化膜的另一個缺點是自愈所需要的能量較大,而且電容器經(jīng)擊穿自愈后其絕緣電阻值較低.為了提高金屬化紙介電容器的性能和可靠性,已用鋁金屬化層來代替鋅金屬化層.大氣中在鋁膜的表面會生成一層薄而堅固的氧化氯膜.使鋁膜不再繼續(xù)氧化.同時氧化氯膜對潮氣抗腐蝕性能好.另外鋁金屬化層自愈性能好,鋁電極可以在介質(zhì)上殘存的微量潮氣和低電壓作用下產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng),生成氧化鋁介質(zhì)膜,經(jīng)過一段時間,電容器的絕緣電阻得到恢復(fù).此外,鋁的比電導(dǎo)較鋅大,這就減小了板極電阻和電容器的損耗.因此,鋁在金屬化電容器的生產(chǎn)中取代鋅做電極改善了電容器的性能,提高了電容器的可靠性.

2、工作電解質(zhì)的改進

鋁電解電容器工作電解質(zhì)為硼酸一乙醇系統(tǒng),其工作溫度范圍為+85~—40℃.在低溫下,由于乙二醇中的羥基彼此以氫鍵聯(lián)合,出現(xiàn)聚合物,以致工作電解液變稠凍結(jié),電阻率急劇增大,電容量下降和損耗角正切值增大,使電容器的性能惡化.近來普遍采用的以DMF為溶劑的工作電解液,在較寬的溫度范圍內(nèi)(-55~+85℃)電性能優(yōu)良.

為了解決液體鉭電解電容器漏液問題,除了在密封結(jié)構(gòu)上采取措施外,采用凝膠狀電解質(zhì),因為凝膠狀電解質(zhì)黏度大,不容易從微小的縫隙中漏出.

3、電介質(zhì)材料的改進

電介質(zhì)材料是決定電容器性能和可靠性的關(guān)鍵材料.以往生產(chǎn)的聚苯乙烯電容器,其電介質(zhì)是采用厚度為20μm的聚苯乙烯單層薄膜,由于薄膜的厚度不均、有針孔、有導(dǎo)電雜質(zhì)和微粒先進原因,制成的電容器就存在著某些陷患,在外部各種環(huán)境和電應(yīng)力作用下,這些缺陷就會逐漸暴露出來,導(dǎo)致電容器的擊穿、開路或電參數(shù)超差失效.為了提高和產(chǎn)品的性能和可靠性.電容器的電介質(zhì)由原來單層20μm厚薄膜改進為雙層10μm薄膜這樣電介質(zhì)的厚度仍為20μm,電容器的體積不變,但產(chǎn)品的質(zhì)量卻提高了.因為雙層薄膜可以互相掩蓋薄膜中的缺陷和疵點,這就使得電容器的耐壓和可靠性得到了提高.

又如,以銀做電極的獨石低頻瓷介電容器,由于銀電極和瓷料在900℃下一次燒成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熔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去后,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,改用了銀—鈀電極代替通常含有的氧化鋇電極,并且在資料配方中添加了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.

4、結(jié)構(gòu)的改進

上面已論述了聚苯乙烯電容器的低電平失效.導(dǎo)致低電平不時通時不通的原因是其引線和板有焊接不好而引起的.原來的引線結(jié)構(gòu)是用較粗的單引線,與鋁箔厚度比較尺寸相差懸殊,因此點焊質(zhì)量不高.后改用細引線,并將沖壓加工改進為輾軋加工.這樣即可減少加式過程中產(chǎn)生毛刺,點焊質(zhì)量也高.此外,經(jīng)過分析研究,從單引線結(jié)構(gòu)較細的Φ0.2mm打扁引線,在卷芯的芯軸孔中間位置插入Φ0.8mm的絕緣線,兩端插入預(yù)先打有凹槽的Φ0.8mm浸錫引線作為加固引線,經(jīng)熱處理聚合固定.用雙引線結(jié)構(gòu)后,聚苯乙烯電容器低電平失效的概率由萬分之五減少到四百萬分之一.

細雙引線加固引線結(jié)構(gòu)的電容器,由于附加了較粗的Φ0.8mm外部連接加固引線,并且在插入芯子內(nèi)的一端上有一個凹槽,保證了引線的穩(wěn)固性,所以提高了電容器外部連接的強度,能耐振,不易折斷.同時,在兩根加固引線間有一段相同直徑的絕緣線,這不僅可以防止兩極間可能發(fā)生的偶然擊穿,而且還能使電容器聚合后變形小,使芯子內(nèi)介質(zhì)薄膜的應(yīng)力均勻,這就改善了電容量的穩(wěn)定性.

長期以來,鋁電解電容器的爆炸是令人生畏的,CV乘積大的電容器爆炸的可能性更大,而且破壞性也大.為了提高鋁電解電容器的可靠性,提高整機的可靠性和安全性,國內(nèi)已經(jīng)度制了有防爆結(jié)構(gòu)的鋁電解電容器.當(dāng)電容器內(nèi)部氣壓加到一定程度時,防爆閥釋放氣體而防止爆炸.

5、工藝方面的改進

為了提高鋁電解電容器的性能和壽命,就必須獲得性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)致密、缺陷少和耐酸堿腐蝕的電介質(zhì)氧化氯薄膜.傳統(tǒng)的鋁電解電容器賦能工藝是采用硼酸一乙二醇系統(tǒng)賦能液,雖然賦能后獲得的氧化膜介電性能良好,但其氧化膜抗水合能力和耐酸堿腐蝕性能較差,因而鋁電解電容器的性能和可靠性都差.采用已二酸形成工藝,由于已二酸在電解液中是水的表面活性物質(zhì),其羰基具有較強的電負性,極易吸附到陽極箔上,阻止陽極氧化時的晶胞生長,迫使放電離子產(chǎn)生新的晶核,生成致密的氧化膜.氧化膜的疵點、空洞、裂紋和縫隙都較少,無論是在常溫還是在高溫條件下,產(chǎn)品的漏電流都比較小,延長了產(chǎn)品的平均壽命,提高了可靠性.

為了解決云母電容器低電平失效,即解決引出線和電極接觸不良問題,將原來用銅箔接觸的引出線改為焊接工藝引出,能基本消除低電平不通的失效模式.電極和引線之間的焊接方法有兩種:全焊接法和點焊法.全焊接法是指云母片上銀電極和引出線之間,引出線和引線卡子之間全部、焊接起來.方法是把引出線銅箔改為熱浸銅箔,芯組裝配方法和原來一樣.芯組打好卡子之后,通過施加溫度和壓力,一道工序把電極銀層和引出線之間、引出線和引出卡子之間,全部焊接起來.

美國生產(chǎn)高可靠云母電容器采用點焊法.即云母片上電極和引出線連接采用點焊,點焊后用10~20倍的放大鏡一片一片地對焊接質(zhì)量進行檢查.

改進工藝提高產(chǎn)品可靠性的另一個例子是獨石陶瓷電容器的包封工藝.以酒精為溶劑的環(huán)氧樹脂浸漬包封產(chǎn)品來說,由于包裝的多孔性,受潮聚積水分為銀離子的遷移提供了條件,造成產(chǎn)品短時間內(nèi)大量失效.為了提高獨石陶瓷電容器的防潮性能,改用先涂覆GN521硅凝膠做底漆,再包封環(huán)氧樹脂的工藝.長期潮熱負荷試驗結(jié)果表明,這種包裝工藝有很好的防潮性能,產(chǎn)品的可靠性有明顯的提高.