钽电容器和独石电容器应用中的失效分析
樊晓团 胡圣
西安微电子技术研究所（西安710054）
1前言
对于有极性的钽电容器来说，人们最容易想到的是极性接反引起的击穿失效。通过多次分析实例来看，这种失效原因在实际工作中出现的可能性较小，常常出现的是一种较为隐蔽的原因所导致的失效—焊接温度高、焊接持续时间长。而独石瓷介电容器本身为无极性电容器，但在失效分析过程中发现，有些独石电容器表现出与极性明显相关，即两个不同方向的漏电流相差很显著，这正是电容器介质中离子迁移的实际表现，采用环氧树脂固封后研磨，发现此类电容器的失效原因是电容器的质量隐患所致，受其制造工艺过程的复杂性影响。
2固体电解质钽电容器的失效分析
某型号在随机振动过程中，±15V电压降至5V左右，后经检查发现该电容器短路，在整机板上的连接如图1所示。
测试发现，电容器正负极间已经短波，其阻值约为0.1Ω。与原始失效现象一致。采用BT1505型X光机透视观察，看到电容器内部阳极一端空腔内有一块较大的多余物，其X光机下的形貌如图2所示。将电容器振动后在X光机下换不同角度的观察，发现多余物可以移动。然后分别将电容器进行摇晃、振动、翻转，重新测试，电容器时而短路，时而正常。证实电容器失效确是因内部多余物引起时断时通。仔细进行解剖分析，剥除电容器阴极金属外壳，暴露出阳极内芯，取出内部多余物，在显微镜下检查，此多余物为焊锡，如图3所示。取出电容器腔体内的多余焊锡后，用数字电桥测试仪测试电容值，结果正常，100Hz条件下为100.8μf,1kHz条件下为99.5μf。
该钽电容器因腔体内部有焊锡多余物，在振动试验中引起短路失效，产生多余物的原因是焊接不当，如铬铁温度高，持续时间长，引起电容器内钽丝与阳极引线熔焊的焊锡受热后流出所致。因此我们建设：（1）在焊接器电容器的过程中应尽量缩短焊接时间，以免使电容器内焊锡熔化变为多余物，引起短路失效；（2）进行X射线透视观察，淘汰有多余物的电容器。用户接到分析报告后返回焊接过程检查，证实是工作人员镀锡时不慎将电容器浸入锡锅较深且放置时间较长引起的。类似失效情况还有几例，所以此类问题应引起足够重视。
图1固体电解质钽电容器的连接图
图2X光机透视形貌
图3电容器及焊锡多余物的形貌
图4独石电容器在板上的连接
3多层独石瓷介电容器的失效分析
（1）某工程型号的电源箱中有1只固件电解质钽电容器，在出厂测试时发现交流125V输出跳变，随着通电时间的加长，电压下降。更换此电容器后，工作正常，该电容器在整机板上的连接如图4所示。用数字电桥测试该电容器，其电容值合格。再用电桥测试正常电容器时，并联10kΩ电阻器，测量其电容值不变，说明有微漏电流情况下不影响电容器的电容值。给电容器加上直流电压测试漏电流，开始加电压较小（如5V），漏电流为0μA，然后将直流电压缓慢升到7V，漏电流开始出现并振荡增大，这时降低电压至5V，漏电流仍维持逐渐振荡上行的走势，后来达到50μA以上，此过程可反复出现。再进一步测试，发现电容器在改变电极性时，漏电流大小有明显差别，一个方向为10μA左右，另一个方向大于50μA。正常电容器加50V电压，半小时内的漏电流始终为零。按图5所示线路进行测试。
①开关K2断开时，用正常电容器测试，无论K1置于1端或2端，输出波形信号的直流中心点始终为零。在K1置于1端，K2接通时，输出信号直流中心值为－6V。
②当K1开关置于1端时，K2断开，输入端交流信号叠加上直流电平。此时用合格电容器测试的输出波形直流中心值还是0V，输出波形稳定。这时改用失效电容器时，输出信号的直流中心值为－6V。
以上测试说明失效电容器已无隔离直流的能力，有漏电现象。另外，此时输出信号还有跳变现象，由于电容器漏电是不稳定的，时大时小，所以输出波形跳变，复现了原始失效现象。
去除电容器封装材料前后，分别进行超声清洗并在烘干后进行高温测试，电容器的漏电流现象一直存在。由此排除了沾污和潮气造成失效的可能，证明是电容器芯本身漏电所致。由于失效电容器的漏电流与所加电压极性有关，而该电容器为无极性电容器，这一表面“矛盾”的现象，反映出电容器内部存在导电离子，属于离子迁移所致的电性能退化失效。
（2）在某型号的分系统中，1只失效的独石瓷介电容器（与上例同型号），在整机进行单元测试的加温过程中发现无输出，经查是该独石电容器失效。已累计工作时间达200小时以上。外观检查可见电容器外部封装塑封材料有烧焦发黑痕迹，在立体显微镜下放大后观察可见，烧焦处表面局部鼓起并有裂纹。测试电容器两端，呈现短路状态，正常应为环状曲线。
图5模拟测试线路
图6电容器芯表面烧毁及裂纹
图7电容器芯介质层中电极板合金突起
用化学方法去除电容器表面塑封材料后在立体显微镜下检查发现，电容器的一面有明显的烧毁过流痕迹，另一面相应部位有几道裂纹，如图6所示。测试电容器仍为短路状态。说明电容器短路部位在电容器芯上。由于短路部位在电容器芯内部，因此用环氧树脂浇注制样固化后进行研磨以制作剖面。研磨后的观察可见，电容器内部有多处裂纹。继续研磨至烧毁部位附近，可见局部区域有几处的电极合金突起，造成两个电极之间的有效间距小于正常间距的一半以上，并且该区域有电流烧毁产生的宽裂缝，如图7所示。为验证介层层中金属突起材料的成份，将样品在JXA840型扫描电镜上进行能谱分析，结果发现，电极材料及突起物以银为主，重量百分比为85％以上，含一定量的Bi、Ba等元素；在金属突起物与电极之间的区域，含银（28％～30％）、Bi、Ba等元素；而介质层主要含Bi、Ba等元素。由此可见，有少量银离子迁移至介质层中，搭接在两层不同电极板之间，从而引起短路。
该独石电容器因电极层间短路，在加电工作过程中，产生大电流烧毁失效。原因是电极板间的介质层有缺陷，电极合金突起，导致电极间的有效间距缩短，耐压降低，并随加电时间的延长，离子迁移并穿透有缺陷的介质层引起电容器短路，属于电容器的质量问题。
4结论
从多层独石瓷介电容器的几例分析中，相互印证并深化了分析结论，更好地了解了此类电容器的失效起因，由于将同型号器件的分析作为一个整体来把握，可以进一步认识此类电容器的失效本质，同时对质量问题所致的此类失效，提出改进措施。而对固体电解质钽电容器的镀锡不当所导致的多余物导致短路失效，也提出了有效的筛选方法。
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