電容失效的原因多種多樣,主要可以歸結(jié)為以下幾類:
一?電氣應(yīng)力因素
- 過電壓:
施加的電壓超過電容的額定電壓(WV),可能導(dǎo)致:
介質(zhì)擊穿: 絕緣層被永久性破壞,形成短路或漏電流劇增?
加速老化: 長期工作在接近或略超額定電壓下會顯著縮短壽命?
- 電壓反轉(zhuǎn):
主要影響電解電容(鋁電解?鉭電解)?施加反向電壓(陽極對陰極負壓)可能導(dǎo)致:
內(nèi)部發(fā)熱: 陰極氧化層無法有效阻擋反向電流,產(chǎn)生大量熱量?
氣體產(chǎn)生: 電解液分解產(chǎn)生氣體,壓力增大可能導(dǎo)致泄壓閥動作或殼體破裂?
永久性損壞: 嚴重時直接短路或開路?
- 過電流/浪涌電流:
瞬間大電流(如開關(guān)電源啟動?負載突變?短路)可能導(dǎo)致:
內(nèi)部連接熔斷: 電容內(nèi)部電極?引線或焊接點因過熱熔斷(開路失效)?
過熱損壞: 等效串聯(lián)電阻產(chǎn)生焦耳熱,導(dǎo)致內(nèi)部材料劣化?電解液干涸或殼體變形?
- 高紋波電流:
長期工作在高于額定值的紋波電流下(常見于開關(guān)電源輸出濾波電容):
持續(xù)發(fā)熱: ESR 產(chǎn)生的熱量不斷積累?
加速老化: 核心溫度升高,電解液揮發(fā)加快,ESR 進一步增大,形成惡性循環(huán),最終導(dǎo)致容量下降?ESR 劇增或開路?
二?環(huán)境應(yīng)力因素
- 高溫:
加速化學(xué)反應(yīng): 是電容失效的最主要加速因子?導(dǎo)致:
電解液揮發(fā)/干涸: 鋁電解電容容量下降?ESR 增大甚至開路的主要原因?
介質(zhì)老化: 所有類型電容的介質(zhì)材料在高溫下老化加速,絕緣性能下降(漏電流增大),擊穿風(fēng)險增加?
密封材料老化: 橡膠塞?密封劑老化失效,失去密封作用,加速內(nèi)部材料劣化?
內(nèi)部壓力增大: 化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氣加速?
- 低溫:
電解液粘度增大/凝固: 鋁電解電容 ESR 急劇增大,容量可能暫時下降(溫度恢復(fù)后可逆)?
材料脆化: 陶瓷電容?塑料外殼電容可能因機械應(yīng)力(如PCB彎曲)而開裂?
- 溫度循環(huán)/沖擊:
熱應(yīng)力: 不同材料的熱膨脹系數(shù)不同,反復(fù)劇烈的溫度變化會導(dǎo)致:
內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力: 電極?介質(zhì)層?端接材料間產(chǎn)生應(yīng)力,可能導(dǎo)致分層?開裂?
焊點疲勞: 表面貼裝電容的焊點因反復(fù)膨脹收縮而開裂(開路)?
密封失效: 殼體與密封材料界面因應(yīng)力而開裂,失去密封?
- 高濕度:
電化學(xué)遷移: 在直流偏壓和濕氣作用下,金屬離子(如銀電極中的銀離子)在介質(zhì)表面遷移生長,形成枝晶,導(dǎo)致短路或漏電流增大(尤其影響陶瓷電容?某些薄膜電容)?
腐蝕: 濕氣侵入會導(dǎo)致內(nèi)部金屬電極?引線或外部端子的腐蝕,增大 ESR 或?qū)е麻_路?
絕緣性能下降: 濕氣降低介質(zhì)表面電阻?
- 機械應(yīng)力:
振動/沖擊:
引線/內(nèi)部連接斷裂: 導(dǎo)致開路?
MLCC 微裂紋: 多層陶瓷電容對 PCB 彎曲應(yīng)力非常敏感,容易在內(nèi)部陶瓷介質(zhì)層產(chǎn)生肉眼不可見的微裂紋,導(dǎo)致高阻?漏電或間歇性短路/開路?
PCB 彎曲/變形: 安裝后對 PCB 施力,是 MLCC 產(chǎn)生微裂紋的常見原因?
安裝應(yīng)力過大: 螺絲固定電容擰得過緊可能導(dǎo)致殼體變形或內(nèi)部損傷?
三?材料老化與制造缺陷
- 電解液干涸:
鋁電解電容固有的失效機理?高溫?密封不良?長期存放都會加速此過程?導(dǎo)致容量下降?ESR 增大?
- 介質(zhì)老化:
所有電容的介質(zhì)材料在電場?溫度?時間作用下都會緩慢退化,絕緣電阻下降,損耗增加?對于高K陶瓷電容,老化現(xiàn)象更明顯(容量隨時間緩慢下降)?
- 電化學(xué)腐蝕:
內(nèi)部材料(如鋁箔?鉭陽極)在雜質(zhì)?濕氣?電場作用下發(fā)生腐蝕反應(yīng),導(dǎo)致性能劣化?
- 制造缺陷:
原材料瑕疵: 介質(zhì)膜針孔?金屬箔缺陷?電解液雜質(zhì)等?
工藝問題: 卷繞/層疊不良?焊接/連接不良?密封不嚴?清洗不凈留有腐蝕性殘留物等?
設(shè)計缺陷: 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致局部過熱或應(yīng)力集中?
- 虛焊/冷焊:
焊接不良導(dǎo)致電容端子與PCB焊盤之間的連接電阻過大或時斷時續(xù),表現(xiàn)為開路或接觸不良?
四?其他因素
- 長期存放:
電解電容長期不通電存放,氧化膜可能退化,再通電時漏電流很大(需要“重新賦能”或“老化”)?極端情況下密封可能失效?
- 化學(xué)污染/腐蝕性環(huán)境:
暴露在酸?堿?鹽霧等腐蝕性環(huán)境中會腐蝕外殼?端子或內(nèi)部材料(如果密封失效)?
- 輻射:
在強輻射(如太空?核環(huán)境)下,材料性能可能發(fā)生不可逆變化?
總結(jié)與預(yù)防關(guān)鍵點
鋁電解電容: 最易失效?主要殺手是高溫(導(dǎo)致電解液干涸)?高紋波電流(導(dǎo)致發(fā)熱和干涸)?過壓/反壓?長期存放?
鉭電解電容: 對過壓/反壓和浪涌電流極其敏感,容易發(fā)生“燃爆”失效(常需降額使用)?也怕高溫?
多層陶瓷電容: 對機械應(yīng)力(PCB彎曲?沖擊)非常敏感(微裂紋)?直流偏壓效應(yīng)(容量隨電壓升高而降低)和老化也是特性?易發(fā)生電化學(xué)遷移(在潮濕+偏壓條件下)?
薄膜電容: 相對可靠,但怕過壓?高溫和焊接熱損傷?金屬化薄膜有自愈特性,但多次自愈會導(dǎo)致容量下降?
預(yù)防關(guān)鍵: 正確選型(電壓?容值?類型?溫度等級)?合理降額使用?優(yōu)化散熱設(shè)計?控制紋波電流?避免機械應(yīng)力?保證良好焊接?在合適的環(huán)境下存儲和使用?
理解這些失效機理對于電路設(shè)計?元器件選型?生產(chǎn)制造?可靠性測試以及故障分析都至關(guān)重要?
