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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流馈通滤波器分析.精品文档.厂馈通滤波器类产品失效分析总结目录1陶瓷电容基础知识11.1电容器陶瓷分类11.1.1高频高介电容器瓷21.1.2强介铁电陶瓷（二类瓷）41.2电容器陶瓷微观结构71.3介质损耗81.3.1基本概念81.3.2损耗的形式81.3.3陶瓷材料的损耗91.3.4陶瓷电容器的损耗101.3.5造成电容器损耗的各组成电阻111.4绝缘电阻（）122馈通滤波器失效分析122.1常见失效模式及机理122.1.1引起电容器失效的主要失效机理132.2馈通滤波器失效机理分析132.2.1造成滤波器介质开裂的主要机理132.2.2内电
2、极缺陷172.2.3银离子迁移182.2.4潮湿对电参数恶化的影响193蛟龙工厂馈通滤波器类产品失效汇总211 陶瓷电容基础知识1.1 电容器陶瓷分类电容器瓷高频（类瓷）tg小低频（类瓷）高，较大的tg半导体（类瓷）低介(10）装置瓷（如Al2O3）中介（=1250）高介（=6020000）l 类瓷是电容量随温度变化稳定度高的电容器瓷，主要用于高频谐振回路中。类瓷主要以钛、锆、锡的化合物及固溶体为主晶相。（主要用于：高频热稳定电容器瓷，高频热补偿电容器瓷）l 类瓷以高介电常数为特征，为具有钙钛矿型结构的强介铁电瓷料，如BaTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3。（主要用于：低频高介电容器瓷
3、）l 类瓷：半导体陶瓷 1.1.1 高频高介电容器瓷按主晶相分铌铋锌系：ZnOBi2O3-Nb2O5锆酸盐瓷：CaZrO3锡酸盐瓷：CaSnO3、 SrSnO3钛酸盐瓷：CaTiO3、SrTiO3、MgTiO3金红石瓷：TiO2按值分（温度每变化1时介电系数的相对变化率）0：TiO2、CaTiO3、SrTiO30： MgTiO3、CaSnO3、Sr SnO3、CaZrO30： BaO4 TiO2 1.1.1.1 电介质的极化在平行板电容器中，若在两板间插入固体电介质，则在外加电场作用下，固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生位移，形成电矩，使介质表面出现束缚电荷，极板上电荷增多，造成电容量增大
4、。平行板电容器在真空中的电容量为：极板间插入固体电介质后，电容量为：式中：d为平板间距(m)；A为面积(m2)，V为平板上电压(V)，为相对介电常数，为介电材料的电容率，或称介电常数(dielectric constant)(单位为F/m)。放在平板电容器中增加电容的材料称为介电材料。显然它属于电介质。电介质（dielectrics）就是指在电场作用下能建立极化的物质。如上所述，在真空平板电容间嵌入一块电介质，当加上外电场时，则在正极板附近的介质表面上感应出负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种感应出的表面电荷称为感应电荷，亦称束缚电荷，如下图所示。电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象
5、称为电介质的极化（polarize）。正是这种极化的结果，使电容器增加电荷的存储能力。偶极子(a)真空平板电容器 (b)平板电容器中的束缚电荷平板电容器中介电材料的极化极化强度：介电常数：高频高介电容器中电介质（离子晶体）的极化主要是电子位移极化和离子位移极化。1.1.1.2 产生高介电系数的原因l 金红石型和钙钛矿型结构的陶瓷具有特殊的结构，离子位移极化后，产生强大的局部内电场，并进一步产生强烈的离子位移极化和电子位移极化，使得作用在离子上的内电场得到显著加强，故大。l 钛酸锶铋也是利用SrTiO3钙钛矿型结构的内电场，而加入钛酸铋等，使之产生锶离子空位，产生离子松弛极化，从而使增大。1.1
6、.2 强介铁电陶瓷（二类瓷）低频高介电容器瓷属类瓷，是强介铁电陶瓷，一般是指具有自发极化特性的非线性陶瓷材料，其主要成份是钛酸钡（BaTiO3），其特点是介电系数特别高，一般数千，甚至上万；介电系数随温度呈非线性变化，介电常数随施加的外电场有非线性关系。1.1.2 .1 BaTiO3陶瓷的晶体结构钛酸钡是一致性熔融化合物，其熔点为1618。在此温度以下，1460以上结晶出来的钛酸钡属于非铁电的六方晶系6/mmm点群。此时，六方晶系是稳定的。在1460130之间钛酸钡转变为立方钙钛矿型结构。在此结构中Ti4+(钛离子)居于O2-(氧离子)构成的氧八面体中央，Ba2+(钡离子)则处于八个氧八面体围
7、成的空隙中（见右图）。此时的钛酸钡晶体结构对称性极高，因此无偶极矩产生，晶体无铁电性，也无压电性。 随着温度下降，晶体的对称性下降。当温度下降到120时，钛酸钡发生顺电-铁电相变。在1205的温区内，钛酸钡为四方晶系4mm点群，具有显著地铁电性，其自发极化强度沿c轴方向，即001方向。钛酸钡从立方晶系转变为四方晶系时，结构变化较小。从晶胞来看，只是晶胞沿原立方晶系的一轴（c轴）拉长，而沿另两轴缩短。 当温度下降到5以下，在5-90温区内，钛酸钡晶体转变成正交晶系mm2点群，此时晶体仍具有铁电性，其自发极化强度沿原立方晶胞的面对角线011方向。为了方便起见，通常采用单斜晶系的参数来描述正交晶系的
8、单胞。这样处理的好处是使我们很容易地从单胞中看出自发极化的情况。钛酸钡从四方晶系转变为正交晶系，其结构变化也不大。从晶胞来看，相当于原立方晶系的一根面对角线伸长了，另一根面对角线缩短了，c轴不变。 当温度继续下降到-90以下时，晶体由正交晶系转变为三斜晶系3m点群，此时晶体仍具有铁电性，其自发极化强度方向与原立方晶胞的体对角线111方向平行。钛酸钡从正交晶系转变成三斜晶系，其结构变化也不大。从晶胞来看，相当于原立方晶胞的一根体对角线伸长了，另一根体对角线缩短了。 综上所述，在整个温区(1618)，钛酸钡共有五种晶体结构，即六方、立方、四方、单斜、三斜，随着温度的降低，晶体的对称性越来越低。在1
9、20（即居里点）以上，钛酸钡晶体呈现顺电性，在120以下呈现铁电性。1.1.2 .2 BaTiO3陶瓷的自发极化自发极化是指晶体在没有外加电场作用时发生了极化并有偶极矩的现象。钛酸钡的自发极化主要与其特殊的晶体机构有关，钛酸钡在120摄氏度以上时为等轴晶系：晶胞常数：a=4.01A，氧离子的半径：1.32A，钛离子的半径： 0.64A，钛离子处于氧八面体中，两个氧离子间的空隙为：4.012 1.32= 1.37，钛离子的直径：2 0.64= 1.28，氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率
10、相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。 1.1.2 .3 钛酸钡陶瓷的铁电畴铁电体存在自发极化，自发极化方向相同的区域成为电畴。钛酸钡晶体是由无数钛酸钡晶胞组成的。当立方钛酸钡晶体冷却到居里点Tc时，将开始产生自发极化，并同时进行立方相向四方相的转变。在发生自发极化的时候，其中一部分相互临近的晶胞都沿着原来立方晶胞的某个晶轴产生自发极
11、化，而另一部分相互临近的晶胞可能沿原立方晶胞的另一个晶轴产生自发极化。这样当钛酸钡转变成四方相后，晶体就出现了沿不同方向自发极化的晶胞小单元，我们称之为电畴。也就是说，通过降低温度，晶体从顺电相转变为铁电相时，由于自发极化，引起表面静电相互作用变化，产生电畴结构。 电畴的类型、畴壁的取向，除了主要由晶体的结构对称性决定外，同时还要满足以下两个条件： 晶格形变的连续性：电畴形成的结果，使得沿畴壁而切割晶体所产生的两个表面上的晶格连续并相匹配。 自发极化分量的连续性：两相邻电畴的自发极化强度在垂直于畴壁方向上的分量相等。 因此，在四方钛酸钡单晶中，相邻电畴的自发极化方向只能相交成180或90，即只
12、存在180畴和90畴。在单斜晶系钛酸钡中，由于自发极化沿原立方晶胞的面对角线，因此除了180和90畴外，还存在60和120畴。而在三斜晶系钛酸钡中，除了存在180畴外，还存在60和109畴。电畴示意图1.2 电容器陶瓷微观结构钛酸钡陶瓷烧结后表面SEM图 FH-CGL150（Mg-Zn-Ti基配方）烧结后表面SEM图 1100 1130 1150不同温度烧结制得的PMW-PNN-PT陶瓷断面SEM图1.3 介质损耗1.3.1 基本概念1、介质损耗 绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失，简称介损。2、介质损耗角 在交变电场作用下，电介质内流
13、过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角)的余角()。 简称介损角。3、介质损耗正切值tg 又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。介质损耗因数的定义如下:1.3.2 损耗的形式a）电导损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。气体的电导损耗很小，而液体、固体中的电导损耗则与它们的结构有关。非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰值。电导损耗，实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种条件下都有电
14、导损耗。绝缘好时，液、固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的，与电导一样，是随温度的增加而急剧增加的。b）极化损耗：只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。它与温度有关，也与电场的频率有关。极化损耗与温度、电场频率有关。在某种温度或某种频率下，损耗都有最大值。c）游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。电晕是在空气间隙中或固体绝缘体表面气体的局部放电现象。但这种放电现象不同于液、固体介质内部发生的局部放电。即局部放电是指液、固体绝缘间隙中，导体间的绝缘材料局部形成“桥路”的一种电气放电，这种局部放电可能与导体接触或不接触。这种损耗称为电晕
15、损耗。1.3.3 陶瓷材料的损耗陶瓷材料的损耗主要是电导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。此外，表面气孔吸附水分、油污及灰尘等造成表面电导也会引起较大的损耗。以结构紧密的离子晶体为主晶相的陶瓷材料，损耗主要来源于玻璃相。为了改善某些陶瓷的工艺性能，往往在配方中引入一些易熔物质（如粘土），形成玻璃相，这样就使损耗增大。如滑石瓷、尖晶石瓷随粘土含量的增大，其损耗也增大。因而一般高频瓷，如氧化铝瓷、金红石等很少含有玻璃相。大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大，主要原因是：主晶相结构松散，生成了缺陷固溶体，多晶形转变等。如果陶瓷材料中含有可变价离子，如含钛陶瓷，往往具有显著的电子松弛极化损耗。因此，陶瓷材料的介质损耗是不能只按照瓷料成分中纯化合物的性能来推测的。在陶瓷烧结
