钽电容器失效分析概述
钽电容器的失效原因分析
钽电容器的失效原因分析对于钽电容器,使用者对它有两种截然不同的评价,一;可靠性很高,温频性能优良.二,容易失效,失效后容易爆炸燃烧,非常危险.为什么对于一种产品同时在使用者中间有两种评价呢?我们首先得清楚钽电容器的优点和缺点.实际上,上述的评价是针对钽电容器的优点和缺点进行的基本准确的描述.并无错误.1.温度性能优良;在-55-+125度内,容量变化率在-5-+12%之间,这是其他电容器难望其项背的一项非常重要的指标,此特点使它成为宽温性能要求较高的电路的首选电容器.2.体积容量比最高;目前为止,尽管铝电容器的小型化进步非常快,叠层陶瓷电容器[MLCC]的容量也可以越做越大,但钽电容器仍然具有最高的容量体积比.加之很宽的温度范围内性能出色的稳定性,它仍然是一些性能要求高,安装空间和面积有限电路的最佳选择.钽电容器的缺点-失效模式的危险性钽电容器一般使用在滤波电路和脉冲充放电电路.此类电路的特点是电路中不光存在功率很高的浪涌电压和电流,而且存在信号强度很高的交流纹波.由于钽电容器是一种极性产品,因此,交流纹波会导致它严重发热,超过散热的热平衡后,产品会出现热击穿现象.由于滤波电路基本都属于低阻抗电路,因此,开关的瞬间产生的远远超过稳态工作电压的浪涌电压也经常导致电路设计者忽略了浪涌的存在,在选择产品额定值时没有为确实存在的浪涌留出余量,因此,经常出现的过压击穿就被简单的认定为钽电容器的质量不够,掩盖了电路设计者对基本的低阻抗电路特征的无知.另外,由于不同规格的钽电容器的自有阻抗ESR不同,因此,不同规格产品的抗直流浪涌电流的能力也不相同,而使用者对此了解不够非常容易导致选择的产品型号不对.上述问题是导致钽电容器出现失效的基本原因.尽管是失效,不同品种的电容器的失效模式很不一样,而钽电容器的失效模式最为危险;如果击穿后电路通过的电流很大,击穿的产品会瞬间燃烧或爆炸,甚至能引发二次效应.这就是许多使用者对它诟病的根本原因.而造成此严重问题的原因不外呼两点; 设计选型不合适;产品质量本身存在问题.当产品的型号和电路特点及需求一致时,钽电容器的优点非常明显,可靠性更不存在问题. 此时使用者很容易忽略钽电容器的缺点.当产品使用出现问题时,一味地指责钽电容器的性能不好.上述原因一方面说明钽电容器存在抗浪涌能力和耐纹波差的弱点,同时也说明使用者对钽电容器的基本性能特点了解不够.因此,就出现上文所述的两种观点相反的评价.从根本上说评价都是对的,但有失全面.钽电容器的高可靠性和优点必须在正确使用的基础上才可以得以体现.而钽电容器的缺点也必须在认识到它的局限性时才可以避免. 从许多故障分析可得出以上结论.但钽电容器危险的缺点的确存在;不能失效,一失效就会出现灭顶之灾.钽电容器缺点的避免钽电容器的优点很多人都了解,缺点认识不够是普遍现象,因为它的失效机理较复杂,即使在生产钽电容器的工厂目前都存在不同甚至根本不清晰的认识,因此,使用者不可能对它的失效原理了解的更多.而此点非常危险,往往都是出现了严重的使用问题才发现使用方法有问题或钽电容器质量有问题.有时候,原因好象很难讲清楚.从根本上说,钽电容器的缺点无法避免,它只能靠使用者在设计时的电压选型上采取尽可能保守的方法才可以消除.失效时的模式是它的危险性的根本所在. 如果想消除钽电容器危险的失效模式,与改变一个成人的遗传一样是不可能的.氧化铌电容器铌电容器在紧缺的钽资源导致的钽电容器价格过高时被科技人员盯住,因为铌也是一种可以形成单向导电介质层的阀金属.因此,自钽电容器诞生不久,无数的技术人员为开发出与钽电容器性能基本相同的铌电容器费尽心血.但是,铌氧化物介质层的热稳定性一直无法从根本上得到解决;铌电容器的性能一直无法达到接近钽电容器的程度,特别是它的稳定性差,随时间延长,容量和阻抗及漏电流一直都在变化,而且高温性能根本不能和钽电容器相提并论.进入21实际,在此浪费了无数金钱和经历的科学家终于承认; 纯铌电容器的性能不能从生产技术的改变上得到根本性进步.实际上从1965-2000年的无数研究以不可避免的失败告终.导致铌电容器开发最终失败的根本原因仍然是铌电容器的生产延续了钽电容器的思路,在工艺原理上就存在致命的缺陷;因为铌介质层内的基材仍然是非常容易氧化的高纯度铌金属.因此,铌电容器就无法避免在击穿时类似于钽的燃烧和爆炸现象.同时,在高温时铌介质膜的氧迁移现象仍然是产品性能不稳定的根本原因.而这一点暂时没有得到解决.铌电容器的开发相当于50年绕回原点,形成了一个可笑的圆圈.氧化铌电容器的出现在21世纪初,在此费尽心血的一个美国人电容器专家和一个德国制造钽粉的工程师提出一种新的电容器工艺理论;使用氧化物而不是纯金属也可以生成单向导电的介质层作电容器.此理论看似简单,实际上却是革命性的,它打破了人们遵守了几十年的电容器介质形成理论;只有纯金属才能生成介质层.而且生成的介质层质量甚至更好.在钽电容器的制造过程中,单质态的钽金属粒子中含有其它元素对介质层质量的均一性影响重大.特别是氧含量高低对钽电容器的漏电流影响是致命的.因此, 使用高氧含量的铌粉会出现的问题似乎早已经决定.但是,陶瓷电容器的介质层特性引起了钽电容器专家的注意;使用氧化物一样可以形成具有单向导电性的介质层.而且,在电容器介质层电化学形成理论上我们显然过于墨守成规.我们总认为制造电容器的纯钽元素中氧含量高会导致漏电流大这一判断也适用于铌电容器.实际上只对了一半;当使用纯铌来生产铌电容器时,这一;理论正确,而对于铌氧化物,我们对其在电化学状态下的变化理论显然了解的很不够; 实际上,使用低价的铌氧化物一样可以通过简单的电化学方法生产出性能优良的五氧化二铌介质层,这样,一种新的电解电容器就问世了,它使用的基材根本不是杂质含量约低越好的钽或者铌,而是一种氧含量必须在14.5-15.5%的富含氧的一氧化铌.一氧化铌一直是玻璃及光学器材上大量使用的一种材料,使用它来生产电解电容器,完全是一种理论上的创新,因此使用它生产出的氧化铌电容器也就必然和钽电容器完全割断了血缘关系;它完全是一种具有许多新奇特性的电解电容器.氧化铌电容器与钽和铌电容器的区别;1.失效模式不一样;钽或铌电容器的失效模式基本相同;当击穿时容量丧失,当通过电流不加限制时会迅速燃烧或爆炸形成短路.氧化铌产品在即使是经受了十倍电压击穿时,仍然可以保持容量和损耗不变.即使是施加的电流很高,通过的电流仍然能够在10MA以内,产品的滤波特性仍然能够保持.使用在充放电电路,只是输出的功率密度下降.根本不燃烧不爆炸,不会形成短路.氧化铌产品的抗浪涌能力由于使用基材具有阻燃性,相同的电压下生成的介质层比钽介质层厚30%,因此具有更高的抗浪涌能力.同条件下抗浪涌能力高30%.氧化铌产品的耐纹波能力由于产品通过大电流时不会发热燃烧,因此耐纹波能力比钽高一倍.可以使用在存在较高纹波的开关电源电路.使用电压和额定电压钽和铌电容器由于通过电流大时会导致发热击穿,因此使用低阻抗电路时必须降额到额定电压的1/3才可以保证安全使用.氧化铌电容器的使用电压可以接近额定电压下使用.在室温时几乎不需要降额就可以保持高可靠性.可靠性以1000小时,60%的置信度算;钽电容器可靠性;1%氧化铌电容器可靠性;0.2%可靠性比钽电容器高5倍体积容量比与钽电容器基本相同,只是在一部分小容量上不能与钽相比.温度特性由于氧化铌电容器不容易燃烧和爆炸,因此可安全使用的漏电流标准比钽电容器大一倍.负温特性和正温特性基本相同耐焊接热性能可经受260度/10秒波峰焊或再流焊接性能不出现异常.频率特性与相同容量和电压的同壳号钽电容器相同价格由于使用了新材料和新技术,但价格与钽电容器相同或稍低.氧化铌电容器的缺点最高额定电压只能达到16V,无高压产品.结论从性能和安全性上比较,氧化铌电容器完全可以达到更高的可靠性.在安全性上完全避免了钽电容器的致命缺点,可以达到任何电路的安全性要求. 完全符合ROhS标准.在存在浪涌的开关电源电路上可以代替25V以下钽电容器.是25V以下的钽电容器的换代产品.图解：片式氧化铌。
片式钽电容器的浪涌失效及防止
钽电容器的浪涌失效及防止片式钽电容器的浪涌失效占到总失效数的90%以上，这与其苛刻的使用条件有直接关系，片式钽电容器基本上都是使用在电源模块上作滤波用，在开关时不可避免要产生持续时间极短，冲击很强烈的电压和电流浪涌，如图一所示。
上图是在电容器生产过程中进行浪涌测试时的合格标准说明图示。
图中黑线是浪涌电流曲线，横轴是时间线，总的时间不超过20微秒。
从曲线可以看出，浪涌产生的时间小于1微秒，应该在纳秒级，所以在如此短时间内产生的能量密度就非常高。
此时介质层五氧化二钽上承受的场强冲击之高可见一斑。
浪涌电流I P值的大小可以通过如下公式根据某规格产品的标准ESR值进行计算得出；钽电容器能够储能和滤波是因为其无定形的介质层具有阻止直流电通过，容许交流电通过的基本特性。
但是，它的这种特性是在通电后，介质层两端的不同电荷彻底完成极化后才出现。
在极化完成之前电容器的介质层不具有介电性能。
此特点是电解电容器与二极管最根本的区别。
只有在电容器的极化完成后它才具有能量储存的性能。
也可以这样理解；在电容器完成极化前，电容器只是一个网络组织非常复杂的具有电阻的导体。
而这一点，现在还有很多人，包括电容器生产者和使用者都了解不够，甚至认识错误。
在开关电源电路，接触的瞬间，浪涌产生的时间极短，而且电流非常大。
在浪涌产生时，电容器的介质层两端的极化还没有完成，因此，当浪涌电流通过电容器时，电容器相当于一个导体或者网络电阻。
电容器的阻直流通交流特性必须发生在介质层两端不同电荷彻底完成极化分布后才开始呈现出来。
而极化过程又受到电容量大小的影响；容量越低的电容器极化完成的越快，容量越大的产品极化完成的越慢。
既dv/dt 值的变化与产品的容量有直接关系。
对于容量大的产品，需要更长的极化完成时间。
在极化完成前，作为介电层的五氧化二钽无定形晶体并不具有二极管PN结那样的固有单向导通能力，大的电流可以瞬间通过。
随极化完成，通过的电流才逐渐被阻止，产生电压降，电容器特性呈现。
钽电容热失效
钽电容热失效钽电容是一种常见的电子元件，广泛应用于电子设备中。
然而，钽电容在一些特定条件下容易发生热失效，这给电子设备的可靠性带来了一定的挑战。
钽电容热失效是指在高温环境下，钽电容内部温度过高，导致电容器内部结构发生变化，从而影响其电性能和可靠性。
这种现象通常在长时间高温运行、高电压工作或电容器设计不合理等情况下发生。
钽电容热失效的主要原因是电容器内部的材料和结构不耐高温。
在高温环境下，电容器内部的有机材料会分解、氧化或脱水，导致电容器的电介质性能下降。
同时，高温还会使电容器内部的电解液蒸发，导致电容器失去电介质的液态填充，进一步降低了电容器的电性能。
钽电容热失效的影响主要体现在两个方面。
首先，电容器的电容值会发生变化。
在高温环境下，电容器的电容值会减小，从而影响电路的稳定性和工作性能。
其次，钽电容热失效还会导致电容器的漏电流增加，从而增加了电路的功耗和热量，进一步加剧了电容器的热失效。
为了避免钽电容热失效，首先需要合理选择电容器的工作温度范围。
在设计电子设备时，应根据实际工作环境确定电容器的最大工作温度，以确保电容器在正常工作温度范围内运行。
其次，还需要注意电容器的电压应用和工作电流。
如果电容器的电压应用过高或工作电流过大，会导致电容器内部温度升高，增加了热失效的风险。
此外，还需要注意电容器的散热设计，通过合理布局和散热结构的设计，将电容器的热量有效散发出去，降低了热失效的概率。
钽电容热失效是一种常见的电子元件失效现象，对电子设备的可靠性产生一定的影响。
为了避免钽电容热失效，需要合理选择电容器的工作温度范围，注意电容器的电压应用和工作电流，并进行合理的散热设计。
只有这样，才能确保钽电容在电子设备中的可靠性和稳定性。
钽电容失效机理
钽电容失效机理简单一点说是这样的。
1）钽电容的失效模式是短路形式。
故而在可靠性要求高的场合，如军品，宇航，汽车级电路中一般限制使用。
如星上就不用。
NASA好像也是规定不能用。
2）铝电解质电容其ESR可以做的很小的，如果我没有记错的话，可以到毫欧级。
文摘1：ESR(等效串联电阻),应该注意的问题前两天我负责的一个LDO测试工程师上电后发现输出振荡了。
我做的时候没有振荡，对照下来，输出电容不一样，我用的是10u的铝电解，他用的是钽电容。
因为我以前对这两种电容有过测试，所以，把他用的电容拿过来在Fluke，RCL测量仪上测试，ESR高达13欧姆(10kHz)，而我以前的测试的10u钽电容一般只有0.5欧姆左右。
所以换成ESR=0.5欧姆的电容就没有振荡了。
在很多的电容介绍中，只是偶尔提到ESR这个概念，而没有具体说明数值，也许是种类繁多不好概括吧。
ESR与制作材料，频率，温度和电容值都有关。
一般来说，对同一种工艺、同一厂家生产的同一种电容，电容值与ESR 的乘积接近常数。
上面说的13欧姆的电容显然是有问题的(但没标准，只能按照经验判断了).，由于没做过系统，对各种电容的ESR不了解，最好请哪位大侠能公布各种电容的ESR作参考。
不过最好的办法是使用前量一下。
文摘2：关于使用固钽和液体钽电容的浅释彭宝霞(航天511所)摘要：本文对液体钽电容和固体钽电容的失效原因作了具体分析。
对这两种产品的使用提出自己的看法和建议。
关键词：液钽固钽可靠性钽电容器分为固体钽电容器和液体钽电容器。
它们在军用整机中大量使用。
例如：液体钽电容器在84年只有529厂和502所两个单位使用，用量不到2000只。
而95年五院各厂所的液体钽订货量将近1万只。
固体钽电容器更是大量使用。
随着固体钽电容器和液体钽的大量使用。
先后暴露的质量问题也不少。
我们了解到早期有单位禁止使用液钽，而近期的单位禁止使用固钽，这是怎么回事?一、早期某些单位禁用液钽，禁用的理由：1.液体钽电容器的漏液问题液体钽电容器工作电解质为酸性液体，如果产品密封不好，出现漏液。
钽电容器失效分析概述
钽电容器失效分析概述1、前言要对电容器进行严谨的失效分析，有必要全面了解电容器的结构。
电容器因其使用的材料及其结构不同分为不同的类型：钽电容器、陶瓷电容器、铝电容器等（见表1）。
每种电容器因其提供独有的特性而具有特殊的应用。
如同三明治一样，简单的电容器是把一个绝缘体材料夹在两个导体之间，通过导体施加偏置电压。
电容器容量（C）由如下等式给出，其中e,A和t分别表示介电常数，表面积以及厚度。
C = e A/t (等式1)表1 不同类型的电容器方式是增加等式1中的“A”表面积。
不同类型电容器获得的方式是不同的。
比如钽电容器，可通过使用多孔钽阳极来获得（高比表面积），通常阳极块是由钽粉连同钽丝一起压制并烧结后制成的。
然后用电化学的方式在高比表面积多孔钽阳极块上生成无定形Ta2O5电介质。
一般Ta2O5电介质层只有几十个纳米厚。
然后使用阴极材料浸渍多孔阳极块（MnO2 或是导电层），在小的容积中生成高容量（见图1）。
一般固体钽电容器使用在100V以下，其中多数情况下是使用在50V以下。
湿式钽电容器（阴极是液体）工作电压可以高一些，可以达到几百伏。
图1 (a)钽电容器结构示意图(b)所示的是钽阳极块内部的钽/电介质/MnO2阴极(c)所示的是阳极块内部的钽/电介质/导电聚合物阴极对于陶瓷和薄膜电容器来说，其电介质层和电极材料是分别交互堆积的，这种交互堆积的电极可以避免极性相对的电极接触。
图2所示的是陶瓷电容器的典型结构。
几十到上百（陶瓷电容器中）甚至上千（薄膜电容器）电极层堆积起来，已获得需要的容量。
图2 陶瓷电容器的典型结构因为不同类型电容器的材料和结构有明显的差异（见表1，图1和图2），所以引起电容器失效的原因也有所不同。
因此，每一种条件都需有特定的失效分析方法。
需要注意的是失效电容器的失效分析是一种全面的因果分析，包括对电路和应用条件的分析。
本文所论述的是片式钽电容器的失效分析概述。
钽电容器的电失效模式可以分成三种类型：高漏电流/短路、高等效串联电阻以及开路/低容量，多数的失效集中在高漏电流/短路上。
为什么轻易不要选择“钽电容”？
为什么轻易不要选择“钽电容”？第一、钽电容失效的模式很恐怖，轻则烧毁冒烟，重则火光四溅。
这里不去赘述“钽电容”的失效模式的原理。
通过这个失效的现象，就知道：如果电容失效，只是短路造成电路无法工作，或者工作不稳定，都是小问题，大不了退货。
但是如果造成了客户场地失火，则是需要赔偿对方的人员及财产损失的。
那就麻烦大了。
这是我们不要去选用钽电容的重要原因。
第二、钽电容的成本高看看我们的淘宝就可以知道100uF的钽电容与100uF的陶瓷电容的价格差别，大概钽电容的价格是陶瓷电容的10倍。
钽电容：10只8元；陶瓷电容100只5元。
如果电容容量需求在100uF以下的情况下，我们现在绝大多数下，耐压如果满足的情况下，我们一般需用陶瓷电容。
再大容量，或者再高耐压，陶瓷电容的封装大于1206的时候，尽量谨慎选择。
贴片陶瓷电容最主要的失效模式断裂（封装越大越容易失效）：贴片陶瓷电容器作常见的失效是断裂,这是贴片陶瓷电容器自身介质的脆性决定的.由于贴片陶瓷电容器直接焊接在电路板上,直接承受来自于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,对于贴片陶瓷电容器来说,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贴片陶瓷电容器断裂的最主要因素。
第三、钽电容未来将耗尽，有钱你都买不到。
早在2007 年，美国国防后勤署(DLA)十多年来已贮存大量钽矿物，为履行美国国会的会议决定，该组织将耗尽其拥有的最后140，000磅钽材料。
从美国国防后勤署购买钽矿石的买主已包括HC Starck、DM Chemi-Met、ABS合金公司、Umicore、Ulba冶金公司和Mitsui采矿公司，这些代表了将这些钽矿石加工制成电容器级粉末、钽制品磨损件或切削工具的众多公司。
从美国国防后勤署购买这些钽矿石的投标人年复一年传统上是一贯的，这样当钽矿石供应变的吃紧时，因美国国防后勤署供应耗尽，一些公司只得抢夺新的矿石供应源。
钽电容失效、爆炸、烧毁的种种原因！
钽电容失效、爆炸、烧毁的种种原因！引言经常碰到很多客户讨论钽电容爆炸问题，特别在开关电源、LED 电源等行业，钽电容烧毁或爆炸是令研发技术人员最头痛的，让他们百思不得其解。
正因为钽电容失效模式的危险性，让很多研发技术人员都不敢再使用钽电容了，其实如果我们能够全面的了解钽电容的特性，找到钽电容失效（表现形式为烧毁或爆炸）的原因，钽电容并没有那么可怕。
毕竟钽电容的好处是显而易见的。
钽电容失效的原因总的来说可以分为钽电容本身的质量问题和电路设计问题两大类：电路设计和产品选型要求钽电容的产品性能参数可以满足电路信号特点，但是,往往我们不能保证上述两项工作都做的很到位,因此,在使用过程中就必然会出现这样那样的失效问题;现简单总结如下;低阻抗电路使用电压过高导致的失效对于钽电容器使用的电路,只有两种;有电阻保护的电路和没有电阻保护的低阻抗电路. 对于有电阻保护的电路,由于电阻会起到降压和抑制大电流通过的效果,因此,使用电压可以达到钽电容器额定电压的60%. 没有电阻保护的电路有两种; 一;前级输入已经经过整流和滤波, 输出稳定的充放电电路.在此类电路,电容器被当作放电电源来使用,由于输入参数稳定没有浪涌,因此,尽管是低阻抗电路,可安全使用的电压仍然可以达到额定电压的 50%都可以保证相当高的可靠性. 二;电子整机的电源部分; 电容器并联使用在此类电路, 除了要求对输入的信号进行滤波外,往往同时还兼有按照一定频率和功率进行放电的要求. 因为是电源电路, 因此,此类电路的回路阻抗非常低,以保证电源的输出功率密度足够. 在此类开关电源电路中 [也叫 DC-DC 电路], 在每次开机和关机的瞬间,电路中会产生一个持续时间小于 1 微秒的高强度尖峰脉冲,其脉冲电压值至少可以达到稳定的输入值的 3 倍以上,电流可以达到稳态值的10倍以上,由于持续时间极短,因此,其单位时间内的能量密度非常高, 如果电容器的使用电压偏高,此时实际加在产品上的脉冲电压就会远远超过产品的额定值而被击穿. 因此,使用在此类电路中的钽电解电容器容许的使用电压不能超过额定值的1/3. 如果不分电路的回路阻抗类型,一概降额50%, 在回路阻抗最低的DC-DC 电路,一开机就有可能瞬间出现击穿短路或爆炸现象.在此类电路中使用的电容器应该降额多少,一定要考虑到电路阻抗值的高低和输入输出功率的大小和电路中存在的交流纹波值的高低.因为电路阻抗高低可以决定开关瞬间浪涌幅度的大小。
钽电容
➢ 陶瓷电容是跟介质有关，陶瓷介质在不同温度下介电常数 不一样； 铝电解电容是跟电解液的导电能力有关，温度 影响电解液里离子运动的速度。BUT,钽电容为Ta2O5电解 质，温度对其介电常数影响不大。
电容尺寸与容量关系
➢ 在钽电容，铝电容，MLCC三类电容中，MLCC的尺寸最小， 但是电容值无法做太大，一般用于低频。钽电容相比MLCC 尺寸要大，但是容量也是比MLCC高很多，可由于内部的特 性，其CV值（电容与电压乘积）做不大，容量和电压有一 定范围，一般从0.1uF~1000uF；工作电压从2V~50V；这些 因素都限制了钽电容在高压大容量上的应用。而铝电容体 积最大，容量也可以做很大。
钽电容 在手机上的应用
射频端：存能使用，PA工作的 时候，特别是TDD系统，PA是从 不工作到工作的状态的变化， 电压会被明显拉低，有钽电容 在可以使得电压的变化会平缓 一些。 电源端：电源端电容作用为滤波，容值越大就越能保证输出 电压的稳定性，纹波小。 音频端：音频的串联电容作用为隔直，容量越大，通过的音 频范围越大，低音效果越好。ESR值越低对输出功率影响越 小，效率越高，但因相对于耳机的阻抗较小，因此对ESR要 求不高。
漏电流：较小，随着温度和电 压的增大而增大。
钽电容 失效
❖氧化膜存在缺陷，部分恶化，引起介质的漏电流异常，最后 导致介质短路（自愈）-----电流型
片式钽电容器加电测试时的失效之谜
片式钽电容器加电测试时的失效之谜凡大量使用过片式钽电容器的电子工程人员，可能都碰到过这样的现象;使用的片式钽电容器在测试和筛选时性能合格，但是，安装上板后进行加电测试时却不断出现击穿短路的产品.出现此现象的原因简单分析有二；1．使用的片式钽电容器性能存在严重的质量缺陷；由于片式钽电容器是一个通用园器件，它可以使用到XX种电子电路中作为滤波或瞬时放电电源，对于用途不同的电路,整机供电功率差别非常大，电路中的号强度差别甚至可以达到百倍以上，例如手机上使用的片式钽电容器和大功率电源上使用滤波电容器和放电电容器.由于它们的使用条件不同，因此,XX 标准必须覆盖所有的使用条件要求，因此,对电容器可靠性起决定作用的漏电流指标就放的很宽；漏电流只要满足K≤0．０1CR×ＵR[ＣR是额定容量,UＲ是额定电压］，一般情况下，在使用电池供电的功率较低的个人用电子产品上就不会出现问题，而在功率较大的电子整机上使用，满足上述指标又根本不能保证可靠性。
因此，根据电路供电功率和可靠性使用条件不同,必须选择可靠性不同的片式钽电容器．特别是军用电子电路，甚至必须考虑到电容器的鲁棒性如何.本文分析的前提是你必须选择正确的，质量不存在问题的片式钽电容器。
对于因为选用质量不高的片式钽电容器引起的故障不再进行分析。
２．质量不存在问题的片失钽电容器为什么在加电测试时仍然有可能出现击穿短路的问题？造成此问题的原因如下；2。
1．外接电源进行加电测试时的回路电阻过低,导致测试加电的瞬间浪涌电压和浪涌电流过大，电容器上实际承受了远远超过容许值的过压冲击和过流冲击。
必须重视的是,在加电测试时,由于回路电阻过低而导致浪涌过高与电路单独实际工作时,电容器的工作条件完全不同.此类电路基本上是开关电源电路[也叫DＣ-DC电路］.我们的很多用户对此类低阻抗电路的号特征了解的不够或认识不清楚;因此，在选择电容器规格时,没有考虑到在开关的瞬间,电路中会出现一个持续时间极短[小于1微秒］，能量密度极高的电压和电流脉冲．此脉冲的瞬间电压可以达到稳态电压的2-１０倍,电流可以瞬间达到稳态电流的十倍以上．因此，在电容器的额定电压选择上偏低，有时候容量也不够。
AVX钽电容失效原因分析
A VX 钽电容失效原因分析
1．车间在DF1725调试过程中有3块主控板上出现A VX TAJC-106E （批号T0751）钽电容烧毁现象。
该钽电容用于5V 的集成电路电源稳压滤波，且极性没有错误。
证明不是使用方法有错误。
2．咨询深圳华光代理商，代理声称：“该标称25V 的钽电容，可以在标称的1.2-1.3倍电压下使用。
3．从库房领取10只批号T0751的TAJC-106E 进行耐压实验。
3．1 第一只在20V 长期加电，没有问题，但在电压加到22.5V 电容烧毁。
3．2 其余在30V （25*1.2）长期加电，没有问题。
3．3 将其中一只加5V 反向电压，钽电容缓慢烧毁。
4．将车间调试过程中烧毁的3只电容及加30V 电压能正常工作的电容外面封装打开，通过对比发现烧毁的3只电容为内部封装极性装反了。
5．下面为打开后的图片
5．1钽电容图片
5．2 正常的钽电容刨面
5．3 失效电容刨面
6．结论： 通过对比未失效钽电容和失效钽电容的刨面，发现失效电容为内封装极性反了，导致上电后烧毁。
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钽电容器失效分析概述1、前言要对电容器进行严谨的失效分析，有必要全面了解电容器的结构。
电容器因其使用的材料及其结构不同分为不同的类型：钽电容器、陶瓷电容器、铝电容器等（见表1）。
每种电容器因其提供独有的特性而具有特殊的应用。
如同三明治一样，简单的电容器是把一个绝缘体材料夹在两个导体之间，通过导体施加偏置电压。
电容器容量（C）由如下等式给出，其中e,A和t分别表示介电常数，表面积以及厚度。
C = e A/t (等式1)表1 不同类型的电容器方式是增加等式1中的“A”表面积。
不同类型电容器获得的方式是不同的。
比如钽电容器，可通过使用多孔钽阳极来获得（高比表面积），通常阳极块是由钽粉连同钽丝一起压制并烧结后制成的。
然后用电化学的方式在高比表面积多孔钽阳极块上生成无定形Ta2O5电介质。
一般Ta2O5电介质层只有几十个纳米厚。
然后使用阴极材料浸渍多孔阳极块（MnO2 或是导电层），在小的容积中生成高容量（见图1）。
一般固体钽电容器使用在100V以下，其中多数情况下是使用在50V以下。
湿式钽电容器（阴极是液体）工作电压可以高一些，可以达到几百伏。
图1 (a)钽电容器结构示意图(b)所示的是钽阳极块内部的钽/电介质/MnO2阴极(c)所示的是阳极块内部的钽/电介质/导电聚合物阴极对于陶瓷和薄膜电容器来说，其电介质层和电极材料是分别交互堆积的，这种交互堆积的电极可以避免极性相对的电极接触。
图2所示的是陶瓷电容器的典型结构。
几十到上百（陶瓷电容器中）甚至上千（薄膜电容器）电极层堆积起来，已获得需要的容量。
图2 陶瓷电容器的典型结构因为不同类型电容器的材料和结构有明显的差异（见表1，图1和图2），所以引起电容器失效的原因也有所不同。
因此，每一种条件都需有特定的失效分析方法。
需要注意的是失效电容器的失效分析是一种全面的因果分析，包括对电路和应用条件的分析。
本文所论述的是片式钽电容器的失效分析概述。
钽电容器的电失效模式可以分成三种类型：高漏电流/短路、高等效串联电阻以及开路/低容量，多数的失效集中在高漏电流/短路上。
每一种失效模式都有其自身可能的原因，因此失效分析方法要由失效类型来确定，这在下面会讨论。
在讨论破坏性分析之前，有必要在不进一步损坏破坏电容器的条件下尽可能多的获取有关钽电容器的物理和电性能的数据。
接触到与电容器有关的背景信息和使用条件，例如电路板的贴装、贮存、使用参数、环境条件、无故障工作时间等等，要尽可能多的收集数据并进行分析，因为单一数据是不能确定出电容器失效的根本原因。
图3所列的是片式钽电容器最常见的失效原因（分为使用过程和生产过程两部分），这将有助于对钽电容器进行失效分析。
值得注意的是，由使用条件或是生产异常所引起的电容器失效是非常相似的。
图3 引起钽电容器失效的常见原因（a）高漏电流/短路（b）高ESR2、非破坏性分析由于对失效定义的解释是变化的，因此失效分析人员了解电容器失效的类型就变得很重要。
在所有的情况中，电容器的验货检验是可以和其产品规范相比较的。
此外，无损检验技术的结果将有助于确定一条能查明导致电容器失效根本原因的途径。
理论上讲，失效电容器最初应该能在电路板上进行检查。
这要证实电容器的安装极性是正确的。
如果在没有任何外部应力存在的情况下，电容器的检查（电路板状态）及其环境应有利于识别。
焊接点的分析应尽可能的识别出手工返工的状态。
其次，电容器的外部和内部结构应可检查。
电容器的外部检查一般使用立体显微镜进行控制，立体显微镜能显示出诸如模塑环氧的裂缝、褪色、热/机械损伤、返工等缺陷。
外部缺陷的确定是钽电容器失效的原因之一，但是失效的结果并不关键，因为它有可能将根本原因分析错误。
X光检测可以检查电容器的内部结构及其任何异常状态（阳极未对准，弱正极或是负极接触等）。
随着X光分辨率的改善和计算机运行速度加快，X光断层照相术正成为分析电容器内部结构的一种有益的工具。
物理检查和X光检查之后，对验货状态的电容器电性参数也要进行记录。
当然这要以不进一步损伤电容器的方式进行。
毋容置疑，电容器必须要与电路进行电隔离。
所有的钽电容器制造商都会将其生产的电容器以特有的方式进行标识，一般会提供出制造商名称、容量、额定电压、日期/批次代码以及极性。
这样做的一个重要原因是确保失效的电容器不是假冒好品。
对于电容器电性，所要做的第一件事情就是检查钽电容器的直流电阻，一般使用万用表检查。
这样做是要使有效电流维持在很低的水平下。
小于∞的直流电流表明电容器具有高电流或是处于短路状态。
接着，在适当频率下使用LCR测试仪在0.5或是1Vrms条件检测容量、损耗因子（DF）以及ESR。
需要注意的是短路电容器的容量、DF和ESR是不满足规范要求的。
由于电容器具有“自愈”功能，因此测试漏电流必须要十分小心。
MnO2钽电容器和聚合物钽电容器的自愈机理是有差别的。
3、高漏电流/短路失效如果电容器具有小于∞的DCR，说明在电容器的正负极之间存在导电路径。
假设电容器与电路之间被隔离，要么是泄漏通道通过钽阳极块（电介质层已经被损坏），要么旁路钽阳极块，在正负极之间形成了导电路径。
应该检查电容器，以确保在外部不存在电路桥。
正如图3中所示，可能还有一些引起导电路径的原因，这可以大体分为使用或是生产两种方式。
在进行任何破坏性分析之前了解电容器内部的失效点位置是非常有益的，特别是对大壳号和多阳极钽电容器来说。
图4所示的是高漏电流电容器的热成像图，其中电容器耐受了额定电压，并在短时间内施加了非常少量的电流。
在失效点局部的内热会引起局部温度的轻微提升，这可以通过热成像系统记录下来。
热成像和X光分析结合使用可以精确的确定出失效部位。
这种方法增加失效分析成功几率，并可缩短失效分析的时间。
然后横切电容器直到失效点，阳极和电极的任何异常都能分析到。
如果电容器不存在外形异常，其DCR一般在几百千欧到几百兆欧这样的范围内，不会观察到热量点，为确保产品真的具有高漏电流，应该额定电压下测量该值。
图4 钽电容器的热成像所显示的失效位置的高温点基于这种失效模式，要检查钽阳极的完整性和电介质的质量，就要使用化学的方法对钽电容器进行剥离。
一般要实现比较致密的钽电介质，可使用电化学的方法，在两到三倍电容器额定电压条件下生成。
电介质中的瑕疵，例如如图5所示的结晶氧化物，可以通过剥离电极层的方式进行检查。
结晶氧化物疵点削弱了无定形电介质，从而提供出一个导电通道。
少量存在的疵点可通过钽电容器的自愈机理将其隔离。
与此相同的是，结晶氧化物在高压电容器（一般是35V或者更高）中更加显著，大量疵点的出现引起电容器出现问题。
过去的几年中，已经开发出一些方法来减小或是消除结晶氧化物的生长。
图5 钽阳极块上的结晶点像其他电子元件一样，钽电容器也会因使用条件而出现失效（图3a）。
作为一种极性元件，钽电容器能在短暂时间内耐受少量的反向偏置电压；但是，不允许电容器承受反极性连接。
如果遭受反向偏置电压，电容器会变得不可靠，但是某种情况下，有可能取一些相同电路上的类似电容器做反向拐点电压测试。
如果电容器是属于那种已经遭受过反向偏置电压的电容器，这种测试会有助于验证效果。
电路稳定性也是一个重要因素。
高浪涌电流和高浪涌电压也会损伤电介质，引起失效。
不正确的使用条件和有问题的电介质最终导致的结果就是出现局部高温。
确保在特定应用中使用恰当的电容器是另外一个要考虑的问题。
总的来说，表面贴装钽电容器不是密封，因此吸收水分。
回流焊过程中电容器中明显存在的潮气会在电容器内部产生大量的蒸汽，某种情况下，这会导致模塑环氧料破裂，将有更多的潮气渗入到内部。
在贮存或是使用过程中进一步的高湿和高温的暴露过程也能导致电容器内部导电物质化学/电化学迁移，最终出现漏电通路。
4、高ESR失效引起高ESR值的原因主要可以分成两类：连接不良或是材料电阻率的增加（图3b）。
再一个，在进行破坏性分析之前，必须要在适当的频率下测量ESR值高低的状态，更重要的是，必须要确保测试探针和电容器端子之间保持正确的连接。
焊接点上存在的保形涂料或助焊剂、不合适的焊料/粘接、端子/焊接点的氧化、不合适的探针等等可能造成ESR值比实际的要高。
电容器在拾放、贴装、回流焊和使用期间会暴露在机械/热机械应力下，这种应力会影响到电容器的ESR。
这些类型的应力能连累到外部或是内部的连接，导致高ESR。
一般使用在钽电容器中的材料，其热膨胀系数大不一致，当暴露在一个相当长的高温期间时，能产生机械热应力，导致ESR值出现问题。
当电容器暴露在一个相对高温高湿的环境中时，会出现外部引线氧化，引起高ESR值。
由于钽电容器不是完全的密封，在高温高湿的条件下，水分能渗入到电容器内部，导致引线端子氧化，电极层出现破裂/分层。
从钽电容器的生产角度看，多数ESR问题是从阴极层产生的，包括阴极层分层、阴极层过厚、阴极层缺失的等等。
ESR问题很少和正极连接问题有联系，一般是由于钽丝与正极引线框架出现虚连接而引起的。
全面的X光分析能暴露一些内部连接的问题。
剖面电容器的光学或是扫描电镜分析将更有助于确定其根本原因。
剖面电容器也能用微探针分析，确定到底哪一层对电容器的高ESR值影响最大。
这个过程必须要非常细致地做，因为像剖切技术这样的破坏性分析技术能引起样品制备瑕疵。
5、低容量/开路正常条件下钽电容器的容量不会出现明显的改变，这种失效模式并不常见。
一般，在顾客入厂检查下明显的低容量一般是由电容器有毛病或是贴错标签引起的。
使用中电容器的电容量是由电容器短路引起的。
某种程度电容器暴露在高温和高湿条件下容量会增加，反之，烘干能减小容量。
如果钽电容器处于短路，容量会视为开路。
开路失效也可能由正极框架和钽丝连接的损伤或是不连续引起的。
X光图像将有助于检查内部结构，同时剖面分析可有助于识别原因。
6、结束语本文对表面贴装钽电容器的漏电流、ESR值以及低容量的失效模式进行了评价；讨论了每一种失效模式的非破坏性分析和破坏性分析的方法。
评价了每一种失效模式最常见的原因以及测定技术。