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银电极陶瓷电容器失效七大原因分析

对于银电极陶瓷电容器MLCC,可能会出现以下七种的失效形式。其它电子元器件的失效,可以关注笔者另一文《电子元器件失效原因分析:主要因素有哪些?

一、潮湿对电参数恶化的影响

空气中湿度过高时,水膜凝聚在电容器外壳表面,可使电容器的表面绝缘电阻下降。此外,对于半密封结构电容器来说,水分还可渗透到电容器介质内部,使电容器介质的绝缘电阻绝缘能力下降。因此,高温、高湿环境对电容器参数恶化的影响极为显著。经烘干去湿后电容器的电性能可获改善,但是水分子电解的后果是无法根除的。例如,电容器的工作于高温条件下,水分子在电场作用下电解为氢离子(H+)和氢氧根离子(OH-),引线根部产生电化学腐蚀。即使烘干去湿,也不可能使引线复原。

二、银离子迁移的后果

无机介质电容器多半采用银电极,半密封电容器在高温条件下工作时,渗入电容器内部的水分子产生电解。在阳极产生氧化反应,银离子与氢氧根离子结合生产氢氧化银;在阴极产生还原反应,氢氧化银与氢离子反应生成银和水。由于电极反应,阳极的银离子不断向阴极还原成不连续金属银粒,靠水膜连接成树状向阳极延伸。银离子迁移不仅发生在无机介质表面,还能扩散到无机介质内部,引起漏电流增大,严重时可使用两个银电极之间完全短路,导致电容器击穿。

离子迁移可严重破坏正电极表面银层,引线焊点与电极表面银层之间,间隔着具有半导体性质的氧化银,使无介质电容器的等效串联电阻增大,金属部分损耗增加,电容器的损耗角正切值显著上升。

由于正电极有效面积减小,电容器的电容量会因此而下降。表面绝缘电阻则因无机介质电容器两电极间介质表面上存在氧化银半导体而降低。银离子迁移严重时,两电极间搭起树枝状的银桥,使电容器的绝缘电阻大幅度下降。

综上所述,银离子迁移不仅会使非密封无机介质电容器电性能恶化,而且可能引起介质击穿场强下降,最后导致电容器击穿。

值得一提的是:银电极低频陶瓷独石电容器由于银离子迁移而引起失效的现象,比其他类型的陶瓷介质电容器严重得多,原因在于这种电容器的一次烧成工艺与多层叠片结构。银电极与陶瓷介质一次烧结过程中,银参与了陶瓷介质表面的固相反应,渗入了瓷-银接触形成界面层。如果陶瓷介质不够致密,则水分渗入后,银离子迁移不仅可以在陶瓷介质表面发生,还可能穿透陶瓷介质层。多层叠片结构的缝隙较多,电极位置不易精确,介质表面的留边量小,叠片层两端涂覆外电极时银浆渗入缝隙,降低了介质表面的绝缘电阻,并使电极之间的路径缩短,银离子迁移时容易产生短路现象。

三、高温条件下陶瓷电容器击穿机理

半密封陶瓷电容器在高湿度环境条件下工作时,发生击穿失效是比较普遍的严重问题。所发生的击穿现象大约可以分为介质击穿和表面极间飞弧击穿两类。介质击穿按发生时间的早晚又可分为早期击穿与老化击穿两种,早期击穿暴露了电容介质材料与生产工艺方面存在的缺陷,这些缺陷导致陶瓷介质介电强度显著降低,以至于在高湿度环境的电场作用下,电容器在耐压试验过程中或工作初期,就产生电击穿。老化击穿大多属于电化学击穿范畴。由于陶瓷电容器银的迁移,陶瓷电容器的电解老化击穿已成为相当普遍的问题。银迁移形成的导电树枝状物,使漏电流局部增大,可引起热击穿,使电容器断裂或烧毁。热击穿现象多发生在管形或圆片形的小型瓷介质电容器中,因为击穿时局部发热严重,较薄的管壁或较小的瓷体容易烧毁或断裂。

此外,以二氧化钛为主的陶瓷介质中,负荷条件下还可能产生二氧化钛的还原反应,使钛离子由四价变为三价。陶瓷介质的老化显著降低了电容器的介电强度,可能引起电容器击穿。因此,这种陶瓷电容器的电解击穿现象比不含二氧化钛的陶瓷介质电容器更加严重。

银离子迁移使电容器极间边缘电场发生严重畸变,又因高湿度环境中陶瓷介质表面凝有水膜,使电容器边缘表面电晕放电电压显著下降,工作条件下产生表面极间飞弧现象。严重时导致电容器表面极间飞弧击穿。表面击穿与电容结构、极间距离、负荷电压、保护层的疏水性与透湿性等因素有关。边缘表面极间飞弧击穿的主要原因是,介质留边量较小,在潮湿环境中工作时的银离子迁移和表面水膜形成使电容器边缘表面绝缘由于银离子迁移的产生与发展需要一段时间,所以在耐压试验初期,失效模式以介质击穿为主,直到试验500h以后,只要失效模式才过度为边缘表面极间飞弧击穿。

四、电极材料的改进

陶瓷电容器一直使用银电极。银离子迁移和由此而引起含钛陶瓷介质的加速老化是导致陶瓷电容器失效的主要原因。有的厂家生产陶瓷电容器已不用银电极,而改用镍电极,在陶瓷基片上采用化学镀镍工艺。由于镍的化学稳定性比银好,电迁移率低,提高了陶瓷电容器的性能和可靠性。

又如,以银做电极的独石低频瓷介质电容器,由于银电极和瓷料在900℃下一次烧结时瓷料欠烧不能获得致密的陶瓷介质,存在较大的气孔率;此外银电极常用的助溶剂氧化钡会渗透到瓷体内部,在高温下依靠氧化钡和银之间良好的浸润“互熔”能力,使电极及介质内部出现热扩散现象,即宏观上看到的“瓷吸银”现象。银伴随着氧化钡进入瓷体中后,大大减薄了介质的有效厚度,引起产品绝缘电阻的减少和可靠性的降低。为了提高独石电容器的可靠性,改用银-钯电极代替通常含有氧化钡的电极,并且在材料配方中添加了1%的5#玻璃粉。消除了在高温下一次烧结时金属电极向瓷介质层的热扩散现象,能促使瓷料烧结致密化,使得产品的性能和可靠性有较大提高,与原工艺和介质材料相比较,电容器的可靠性提高了1~2个数量级。

五、叠片陶瓷电容器的断裂

叠片陶瓷电容器最常见的失效是断裂,这是叠片陶瓷电容器自身介质的脆性决定的。由于叠片陶瓷电容器直接焊接在电路板上,直接承受来自电路板的各种机械应力,而引线式陶瓷电容器则可以通过引脚吸收来自电路板的机械应力。因此,对于叠片陶瓷电容器来说,由于热膨胀系数不同或电路板弯曲所造成的机械应力将是叠片陶瓷电容器断裂的最主要因素。

六、叠片陶瓷电容器的断裂分析

叠片陶瓷电容器机械断裂后,断裂处的电极绝缘间距将低于击穿电压,会导致两个或多个电极之间的电弧放电而彻底损坏叠片陶瓷电容器。

叠片陶瓷电容器机械断裂的防止方法主要有:尽可能地减少电路板的弯曲,减小陶瓷贴片电容在电路板上的应力,减小叠片陶瓷电容器与电路板的热膨胀系数的差异而引起的机械应力。

如何减小叠片陶瓷电容器在电路板上的应力将在下面另有叙述,这里不再赘述。减小叠片陶瓷电容器与电路板的热膨胀系数的差异而引起的机械应力,可以通过选择封装尺寸小的电容器来减缓,如铝基电路板应尽可能用1810以下的封装,如果电容量不够可以采用多只并联的方法或采用叠片的方法解决,也可以采用带有引脚的封装形式的陶瓷电容器解决。

七、叠片陶瓷电容器电极端头被熔淋

在波峰焊焊接叠片陶瓷电容器时可能会出现电极端头被焊锡熔掉了。其原因主要是波峰焊叠片陶瓷电容器接触高温焊锡的时间过长。现在在市场上的叠片陶瓷电容器分为适用于回流焊工艺的和适用于波峰焊工艺的,如果将适用于回流焊工艺的叠片陶瓷电容器用于波峰焊,很可能发生叠片陶瓷电容器电极端头的熔淋现象。关于不同焊接工艺下叠片陶瓷电容器电极端头可以承受的高温焊锡的时间特性,在后面的叠片陶瓷电容器的适用注意事项中有详尽叙述,这里不在赘述。

消除的办法很简单,就是在使用波峰焊工艺时,尽可能地使用符合波峰焊工艺的叠片陶瓷电容器;或者尽可能不采用波峰焊工艺。

对于贴片电容MLCC的失效,笔者在《电容的选用注意事项及失效机理》与《贴片电容断裂及失效的原因分析》中均有介绍。

贴片陶瓷电容规格

贴片陶瓷电容规格

供应贴片电容多层,积层,叠层片式陶瓷电容器MLCC

本公司专业销售贴片电子元器件:

贴片排容1uF (0805,X5R,10V)

GNM214R61A105ME17(Murata)

J2K110BJ105KA-T(Taiyo Yuden)

贴片排容1.0uF(0504,X5R,16V)

GNM1M2R61C105ME16(Murata)

J2K110BJ225KA-T(Taiyo Yuden)

CA0612N220K50ST(华雅)

品牌有村田、TDK、京瓷、太诱、华新、国巨等国际知名品牌!

AVX代理商对钽电容和各种准替代电容的介绍

AVX代理商对钽电容和各种准替代电容的介绍

1.铝电解电容:

以金属铝为正极,其表面氧化膜作为介质,电解液作为负极的电容。

2.钽电解电容:

全称钽电解电容,以金属钽为正极,氧化膜做介质,但负极不是液体,是MnO2。

3.有机半导体电解电容:

阴极使用一种有机半导体(络合盐)的电解电容,KEMET代理商它使电解电容的工作频率由20KHZ直接上升到了1MHz。例如三洋OSCON产品。

4. MLCC:

TDK电容,片式多层陶瓷电容器,以金属做电极,陶瓷做介质的电容器。

Y电容和高压陶瓷电容的有什么差别?

一、直插型的高压陶瓷电容器有另类,就是交流陶瓷电容器,一般指250VAC的Y2安规电容器,以及400VAC的Y1交流安规电容器。从名称上显而易见,这类电容的电压是指交流电压,而且是有十个左右的国家的安全认证的。陶安规电容器之外,别的引线型陶瓷电容器所说的电压一般是指直流而言。

二、贴片陶瓷电容,俗称SMD类的,这种电容的规格一般以0204,0603,0805,1206,1210等表示。所以,一般看到这样的数字时,恭喜你,你的客人用的是贴片电容(电阻)。贴片电容英文简写是MLCC,电压从16VDC到2KV以上都有,当然,电压越高,价格也越不菲。

三、直插的高压陶瓷电容器,俗称DIP类的,这类产品从16VDC到100KV都有生产,但是主要是指直流的,而且是引线型的。,比方说50V104, 1KV103, 10KV102, 20KV222,35KV602等,类似的说法,大多数行内人一看就知道是DC引线型的。

四、螺栓型高压陶瓷电容器。这类电容器一般耐超高电压,在电力系统中往往是指交流电压。如40KV102K,40KV103K,40KV153K等,型号很多种,但是里边的电压并不是直流。因为我们家里,或工厂企业所用的电都是交流电啊!这类电容器的技术含量是相当高的,往往是很多企业能做出这种形状,却始终没办法做出客人要求的品质,原因是:首先这类产品要求较高的交流电压,而大多数厂所标的是直流电压,所以,在送样阶段就被淘汰了;其次,这类高压陶瓷电容器要求超低的局放,局部放电量越大,电容的实际耐压值就越低,因此,局放是衡量一颗电容的质量的最好标准;再次,超高的工频,一般的引线型的电容也要以做到袍高的工频,而这种螺栓型的就更高要求。最后,这类电容对材质要求很严格,因为不同材质的损耗和温度系数,介电系数不一样。

国巨电阻,国巨积层陶瓷电容,国巨高频产品在触控电脑上的应用

国巨芯片电阻:
• 低阻值 (应用于电源供应器 - 具有电流检测的功)
• 串连排阻 (应用于输出入装置及保护 - 具有拉/噪声旁路功能)
国巨积层陶瓷电容:
• 高电压 - 德国TUV X2Y3认证 (应用于液晶面板)
• 中电压
• 高容值 (应用于中央处理器 - 具有滤波功能
国巨高频产品:
• 电磁EMI 滤波器 (应用于液晶面板转换器 - 噪声抑制)

国巨贴片电阻、积层陶瓷电容、高频产品在笔记本电脑上的应用

笔记本电脑已经成为时下生活中不可或缺的一部分,不仅限于商务,它更与人们的日常生活和休闲活动息息相关。国巨将电子零件的尺寸缩小同时无损于高频率的信号来有效地提升个人笔记本电脑的性能。国巨产品的低损耗、省电式电子元件、热防护措施元件、低功耗连接的无线通讯模块及改善操作舒适度的感应器带来一个新的快速运算时代。 

国巨贴片电阻: 

• 低阻值-应用于电源供应器,具有电流检测的功能 

• 串连排阻-0402 x 2;0402 x 4;应用于输出入装置及保护,具有拉/噪声绕道功能 

国巨积层陶瓷电容: 

• 高电压- 德国 TUV X2Y3 认证(应用于液晶面板转换器) 

• 高容值 X5R / X7R / Y5V(应用于中央处理器,具有滤波功能) 

• 低感值-应用于中央处理器,具有HS去耦功能 

国巨高频产品: 

• 贴片天线、滤波器、平衡与不平衡变换器balun(应用于无线与蓝牙装置接口)

村田GRM系列MLCC扩充100μF以上范围的产品阵容

一直以来,100uF以上的电容工程师大多只能选择铝电解电容与钽电容,但是他们在性能上的表现要不不达人意,要不就使用价格成本太高,而现在,我们都了一个选择,那就是村田的GRM系列新品。

村田高容电容

株式会社村田制作所的多层陶瓷电容器(GRM系列)的1206(3.2×1.6mm)尺寸、1210尺寸(3.2×2.5mm),扩大了超过100μF范围的产品阵容,其中追加了150μF、200μF、300μF产品。

随着电子设备的功能不断强化,笔记本电脑、服务器、通信基础设施等各种应用的电源电路设计,对能减少贴装面积、高频的元器件要求也越来越高。村田公司开发大容量多层陶瓷电容器并扩充产品阵容,作为上述解决方案之一。

服务器用途已经有使用案例,近几年需求也在不断增长。

特征本产品在100μF以上范围内,与一般使用的聚合物电容器相比,实现了更低ESR及小型化。由于ESR小,有时也可使用静电容量比聚合物电容器小的MLCC替代。

片状多层陶瓷电容器的绝缘阻抗值的规定和单位

独石陶瓷电容器的绝缘电阻表示当在电容器端子之间施加直流电压 (无纹波) 时,在设定时间 (比如60秒) 之后施加电压和漏电流之间的比率。当一个电容器绝缘电阻的理论值无穷大时,因为实际电容器的绝缘电极之间的电流流量很小,实际电阻值是有限的。上述电阻值称为"绝缘电阻",并用兆欧[MΩ]和欧法拉[ΩF]等单位表示。

绝缘电阻值的性能

当直流电压直接施加在电容器后,突入电流 (也称充电电流) 的流量如下图1所示。随着电容器逐渐被充电,电流呈指数降低。

图1

图1

电流I (t) 随时间的增加而分为三类 (如方程 (1) 所示),即充电电流Ic (t)、吸收电流Ia (t) 和漏电电流Ir。

I (t)=Ic (t)+Ia (t)+Ir 方程 (1)

充电电流表明电流通过一个理想的电容器。与充电电流相比,吸收电流有一个延迟过程,并且在低频范围内伴随有介电损耗、造成高介电常数电容器 (铁电性电容器) 极性相反并在陶瓷与金属电极界面上发生肖特基障垒。

漏电电流是在吸收电流的影响降低后,在一定阶段出现的常数电流。

因此,下述电流值随施加在电容器上的时间电压量而变化。这意味着,只有在指定电压用途下的定时测量才能确定电容器的绝缘电阻值。

绝缘电阻值

绝缘电阻值以兆欧[MΩ]或欧姆法拉[ΩF]等单位表示。
其规定值随电容值而改变。该值用标称电容值和绝缘电阻的乘积 (CR的乘积) 来表示。例如: 当绝缘电阻在10,000MΩ以上时,电容为0.047µF或更小,当绝缘电阻为500ΩF时,其值大于0.047µF。

绝缘电阻值的保证

性能性能(1)性能(2)
标准数值静电容量C≦0.047μF・・・10000MΩ以上
C>0.047μF・・・500ΩF以上
50ΩF以上
测试条件测量电压・・・额定电压
充电时间・・・2分钟
测量温度・・・常温
充放电电流・・・50mA以下
测定电压・・・额定电压
充电时间・・・1分钟
测定温度・・・常温
充放电电流・・・50mA以下

 

计算公式范例
为1µF时
性能(1)的绝缘电阻值
"=500ΩF/1*10-6F"
"=500Ω/1*10-6"
"=500Ω*106"
"=500MΩ以上"
性能(2)的绝缘电阻值
"=50ΩF/1*10-6F"
"=50Ω/1*10-6"
"=50Ω*106"
"=50MΩ以上"

 

代表容量值性能(1)
绝缘电阻值
性能(2)
绝缘电阻值
1μF500MΩ以上50MΩ以上
2.2μF227MΩ以上22.7MΩ以上
4.7μF106MΩ以上10.6MΩ以上
10μF50MΩ以上5MΩ以上
22μF-2.27MΩ以上
47μF-1.06MΩ以上
100μF-0.5MΩ以上

如上表所示,电容值越高,其绝缘电阻值越低。

其原因解释如下: 考虑到独石陶瓷电容器可以看作是一个导体,根据施加在其上的电压和电流,利用欧姆定律可以计算出绝缘电阻。

绝缘电阻值R可以用方程 (2) 表示,导体的长度为L,导体的横截面面积为S,电阻率为ρ。
R=ρ • L/S 方程 (2)

同样,电容量C可以用方程 (3) 表示,独石陶瓷电容器两个电极之间的距离 (电介质厚度) 用L表示,内部电极的面积用S表示,介电常数为ε。
C ∝ ε • S/L 方程 (3)

方程 (4) 由方程 (2) 和方程 (3) 得出,由方程 (4) 可知R与C成反比。
R ∝ ρ • ε/C 方程 (4)

绝缘电阻越大表明直流电压下的漏电电流越小。一般情况下,绝缘电阻值越大,电路的精确性越高。

Murata GCG 汽车级导电环氧树脂多层陶瓷电容


Murata GCG 汽车级导电环氧树脂多层陶瓷电容器 (MLCC) 是具有仅限于导电环氧树脂贴装的银钯 (AgPd) 电极的汽车级 MLCC。 Murata GCG MLCC 具有 150oC 的额定温度,设计用于汽车 ABS 或传动装置应用。 GCG MLCC 仅可使用导电环氧树脂系胶结剂贴装。 这些电容器具有 16VDC 到 100VDC 的额定电压。 GCG 系列还具有 10pF 到 10μF 的电容范围。

特性

  • 零件必须使用导电环氧树脂胶安装
  • 1.0 x 0.5mm 至 3.2 x 2.5mm 尺寸
  • 16 至 100VDC 额定电压
  • 10pF 至 10μF 电容
  • 额定温度最高达 150oC
  • 金钯 (AgPd) 外部电极

应用

  • 汽车
  • ABS
  • 传动