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1、 航天用独石电容器的常见失效模式及机理分析孙静胡会能王全胡斌航天科技集团七0 三所摘要:本文对航天用独石电容器在使用过程中出 现的一些常见失效模式如电容器短路或呈阻性，电容器容值下降或开路等常见失效模式进行了介绍，并对其常见的失效原因及机理进行了分析。前言独石电 容器在航天产品中应用非常广泛，在电子设备中元件应用的带引线独石电 容器及混合电路中应用的无引线独石电 容器的失效主要可以分为两类，一类为电容器呈短路或呈阻性，另一类为电容器容值下降甚至开路，本文对两类常见的 模式及其形成原因进行了总结。以 供可靠性工作者参考。独石电容器基本结构独石电容器的结构形式见示意图。电极从图中可看到，独石电 容
2、器采用迭片式芯子而形成多层介质平板电 容器，相当于多个小电容器井联而成，其组成主要包括多层介质，内电 极极板及端电极。端电极结构分为单层电极或多层电 极结构。电容器短路或呈阻性及其失效机理分析独石电容器在工作一段时间后发生失效，经过对失效件的测试，发现独石电容器己完全短路或呈阻性， 对电容器外观进行检查，发现部分失效的电容器2 7 2,电 容体己 经形成开裂，对其进行金相解剖，发现裂纹己 经穿 过两个相邻的极板，由 于极 板间 距离 较 近， 在电 容 器 工作 过 程中 电 极 之间由 于电 场存 在， 导 致 极 板 材 料A g 产生 迁移 ，当 迁移 的A g 将 两 极 之 间 完全
3、导 通时 ， 则 会 形成电 容 器短 路或呈阻性。引 起电容器开裂的原因主 要有以 下几方面的因素，一是由于电容器在焊接过程中 温度过高，造成电容器内部温度梯度过高而产生很大的热应力而使电容器开裂。另一种开裂的原因主要是由于电容器焊装在印制板上以 后，由于电容器本身与印制板之间膨胀系数相差较大，导致在温度变化过程中，由于印制板膨胀系数大而使电容器承受较大的应力，同时印制板在安装或振动过程中的 弯曲 变形亦会给电 容体一个较大的应力，几种应力相结合从而导致电容体开裂。另外一种呈短路或阻性的电容器其外观上看不到明显的异常现象，在将这些失效件制成金相样品时，应将其端电 极引出，并进行监测，并且一边
4、磨制，一边观察来对该种失效模式的失效部位进行确诊。 在制样过程中可以 看到，在磨制到某一部位时，从监测仪器上可以看到电容阻值会产生一些变化.此时对失效件进行观察，可以看到在该剖面上局部位置的介质上存在明显的孔洞、 微裂纹等缺陷，有时可看到的该种缺陷为贯穿性的，而有时可看到的则为非贯穿性的。由于 陶瓷材料本身具有多孔性， 在生产过程中不可避免的会 存在部分气孔等类型的 缺陷。 对于贯穿性气孔，在 工作一 段时间 后，由 于A g电 极 材料的 迁移而将两极之间搭接，从而形成短路或呈阻性。对于非贯穿性气孔，由于该种缺陷将两极间的距离进一步缩小，使其耐压下降，在使用过程中导致局部击穿后， A g电
5、极材料迁移而使电容器短路或呈阻性失效。该类失效模式主 要是由于介质缺陷引起，可以 通过加严筛选的方法进行剔除，以提高独石电 容器的使用可靠性。电容器开路或容值下降及其失效机理分析独石电容器在使用过程中表现为开路失效主要有以下几种形式， 一种是端电极与电容体剥离，另一种为在端电极焊点根部处瓷体断开，端电 极与电 容体剥离的原因主要是由于端电极与电容体之间附着力较差，在装焊后由于应力的“ 2 7 3 “作用而使端电 极剥落，而焊点根部处瓷体断开这样一种失效模式，主要与电容的安装形式有关，由于有些混合电路要求体积小，所以将独石电容器采用竖立安装形式，竖立安装的电容器由于重心较高，所以在受到较大的冲击
6、和振动应力作用时，在焊点附近受力较大，从而导致在焊点附近的瓷体断裂，对于需要竖立安装的场合，应该采用一 个安装支架，以降低电 容器焊点 根部的应力水平。独石电 容器的另一种主要失效模式为电容值下降，对于该种失效模式有时表现为时好时坏，有时在测试过程中在电极两端加一定外力时，电容值又能恢复正常，产生该类现象的原因主要有两个方面，一是由于电容器在生产工艺过程中端电极与内电极之间连接不良，另一种是由于端电极与内电极之间开裂而形成接触不良 而导致容值下降。对于前一种失效模式，其形成原因主要是由于在电 容器生产加工过程中，电 容器端头材料产生卷边，而不能将内电极很好的暴露出 来，使之与端电 极之间不能形
7、成很好的连接，正常情况应为线连接，而实际上形成的是多点连接形式，在刚开始时表现出 来的电 容值仍是正常的，但经长时间的使用后，由于连接点较少，连接点处电流密度相对较大，从而使该处的电极材料产生电迁移，当最终端电极与内电 极之间完全断开时，将会使电容器的容值下降。另外一种失效模式是由 于端电 极与内电 极交界处产生裂纹而使端电极与内电极不能形成良好连接而使电容量减少。如某单位生产的混合集成电 路，在工作一段时间后发现多只电 路出现失效，经解剖分析及故障定位确认系电路内部独石电容器电 容量下降引起。该种电容器采用再流焊工艺焊接在陶瓷基板上，对电容器两端加一定外力，其容值有时能恢复正常，从现象来看，
8、应为接触不良 引起。对电 容器进行观察， 发现端电 极与电容体中间已 经形成了明显的开裂，将电容制成金相剖面后，发现端电极与内电极之间已明显断开，由 于两者之间不能形成良 好连接，从独石电容器本身结构及原理上来看， 相当于缺少了一个或几个并联的电容器，势必引起电容器容值下降。引起电 容端电极开裂的原因与以 下几个方面的因 紊有关， 由 于该 厂选用的电 容器为单 层电 极， 材料为P d - A g ,在进行再流焊后， P b - S n 焊料与A g 之间产生 反应。 而 形式A g , S n 之间 的金属间化合物，由于金属间化合物本身是脆性物，使端电极内部强度下降。另外，由于独石电阻器本
9、身的热膨胀系数与基板之间热膨胀系数存在差别，导致在温勺舀卫J汉“ 2 7 4 “度变化时形成一定热应力而将电极拉开，从而引 起电 容值下降。针对该种失效模式， 建议其采用多 层复合电 极结构， 在P d - A g 层与 焊点 之间 采 用N i 阻 挡层，采用该种结构形式的电容器未再出 现故障现象。结束语以 上对独石电阻器在使用过程中出现的一些常见失效模式进行了 介绍， 独石电阻器主要失效模式分为短路或呈阻性、开路或容值下降，引起短路或呈阻性的主 要原因 是由 于电 容器内 部 存在介质 缺陷( 如气孔、 微 裂纹 等) 导 致A s电 极材料产生迁移或是由于电容器受到较大的外部应力而使电容
10、体开裂而失效。引起开路或容值下降的原因与电容器本身生产及电 容器的安装结构形式等因素有关。作者简介:孙 静: 女1 9 6 7 年生工学学士航天科技集团 七0 三所工程师从事电子元器件失效分析工作地址: 北京9 2 0 0 信 箱7 3 分 箱1 5 号 邮编:1 0 0 0 7 6 T e l : ( 0 1 0 ) 6 8 3 8 3 3 2 2胡会能:男1 9 6 5 年生工学硕士航天科技集团七0 三所研究员从事电子元器件失效分析工作王 全; 男1 9 7 5 年生工学学士航天科技集团七0 三所助理工程师从事电 子元器件失效分析工作胡 斌: 男1 9 7 5 年生工学学士航天科技集团七0 三所助理工程师从事电子元器件失效分析工作“ 2 7 5“
