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 = eA/t (等式1)表1 不同类型的电容器类型电介质阳极/阴极结构有无极性钽电容器五氧化二钽钽/MnO2钽/导电聚合物钽/液体电解质具有高比表面积的多孔钽阳极有铝电容器氧化铝铝/导电聚合物铝/液体电解质具有高比表面积的蚀刻铝箔膜有陶瓷电容器BaTiO3/ ZrTiO3等贱金属电极（BME）如铜、镍贵金属电极（PME）如银、钯具有高比表面积的分层结构无薄膜电容器金属，如锌、铝等具有高比表面积的分层结构无电子设备的小型化要求在更小的容积下提供更高的容量。在小容积下获得高容量的一种方式是增加等式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。

(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。

钽电容的失效模式和失效机理因其不同类型而有所差异，主要区分为二氧化锰钽电容（MnO₂钽电容）和高分子聚合物钽电容。以下是二者的详细对比：

1. 二氧化锰钽电容（MnO₂钽电容）失效模式：

短路失效：由于内部钽和二氧化锰之间形成短路，通常是钽电容的主要失效模式。

在二氧化锰钽电容失效时，特别是当其发生短路时，失效模式可能非常剧烈，伴随着燃烧和爆炸风险。以下是这种失效场景的描述：

当二氧化锰钽电容在高温或高电流条件下承受过大应力时，电容内部的氧化钽介质层会局部击穿，造成剧烈的电流流经二氧化锰电解质层。由于二氧化锰电解质具有自愈特性，当局部击穿时，会导致温度急剧升高。此时，电容内的二氧化锰开始快速升温，并可能会发生分解反应，释放出高温气体。

随着内部温度进一步升高，电解质开始燃烧，电容壳体的压力剧增。最终，封装无法承受，电容外壳会瞬间破裂，释放出高温的火焰和飞散的金属碎片，伴随剧烈的火光与噼啪声，犹如一次小型爆炸。这种失效不仅会损毁周围的电路组件，还可能引发更大的火灾风险。

场景描述：

电路板上，一颗二氧化锰钽电容在过压条件下运行。突然，电容内部发生短路，迅速升温。只见电容顶部开始冒出浓烟，紧接着，一道刺眼的火光闪过，伴随着剧烈的噼啪声。瞬间，电容外壳破裂，高温的金属碎片四散飞溅，火焰从电容顶部喷出，点燃了周围的电路元件。整个过程犹如一次小型爆炸，火光四溅，灼热的气流迅速充斥周围的环境。

这种场景在电容失效后极为危险，特别是在高密度电子设备中，可能导致大范围的元件损毁，甚至引发火灾。因此，针对二氧化锰钽电容的设计和使用需要特别注意电压、温度的限制，以及必要的防护措施以避免这种灾难性失效。

漏电流增加：电容中的氧化层受损或二氧化锰层退化，导致漏电流超标。

电容值衰减：长期高温或电压应力使氧化钽的介电性能退化，导致电容值下降。

失效机理：

热失效：二氧化锰具有较高的自愈温度（通常在350°C以上），在高温或高电流冲击下，二氧化锰电解质可能因局部发热而引发热失效。

氧化层击穿：钽电容的核心是氧化钽层，长期使用或过压时，氧化层可能会局部击穿，导致电容失效。

湿气侵入：二氧化锰电容在潮湿环境中易受湿气侵害，氧化钽层的电气性能会因此恶化。

过电压：钽电容对电压的耐受能力有限，如果施加的电压超过了其额定电压，钽电容的绝缘层可能会被击穿。这会导致电流激增，产生大量的热量，从而引发电容爆炸。反向电压：钽电容通常是极性电容，需要正确连接正负极。如果连接反了，钽电容会在反向电压下工作，这会导致绝缘层劣化和热量积累，从而引发爆炸。过流：在高压、高温条件下，氧化钽层会出现热击穿，进而导致二氧化锰钽电容的永久失效。当通过钽电容的电流超过其设计值时，内部电阻会发热。这种热量可能会导致钽电容内部的氧化钽层和二氧化锰层之间的化学反应加剧，最终导致电容失效和爆炸。二氧化锰钽电容由于其失效模式为短路，故在失效时风险较大。2. 高分子聚合物钽电容失效模式：

开路失效：聚合物电容一般不会发生短路失效，而是会发生电极连接处的断裂或分层导致开路。

电容值衰减：聚合物层老化或电化学特性退化，导致电容值下降。

漏电流增加：虽然漏电流通常较低，但在极端情况下，聚合物分解或氧化层损坏可能引起漏电流升高。

失效机理：

热降解：虽然聚合物电容工作温度范围更广，但在长时间高温下，聚合物层的性能会逐渐退化。

介质老化：聚合物材料虽然比二氧化锰更稳定，但在极端条件下仍然可能发生化学降解或老化，尤其是在高温高湿环境中。

机械应力：制造过程中或使用环境中遭受的机械应力会导致内层断裂或分层，从而引发开路或电容性能下降。

氧化钽层损坏：虽然聚合物材料更具自愈能力，但氧化钽层仍然可能因过压或物理应力而受损，导致电容性能下降。

高分子聚合物钽电容具有更好的自愈能力，即使出现局部损坏，通常不会引发短路风险，而是趋向于开路或性能下降。

总结对比：

失效模式：二氧化锰钽电容的主要失效模式为短路，风险较高；而高分子聚合物钽电容的主要失效模式为开路，风险较低。

失效机理：二氧化锰电容由于其较高的热敏感性，主要因热失效和电气过载引发；而高分子聚合物电容则更容易受老化和机械应力影响，且具有更好的自愈能力。

区分这两种钽电容的失效机制和模式，对于选择应用场景和提高电路可靠性至关重要。

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。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。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。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。预防片状钽电容失效的措施1、降额：一般情况下，二氧化锰钽电容需要耐压降额50%以上使用。2、并联得到大的容值：不要选择太大容值的钽电容，可以通过几个较小的容值钽电容进行并联。3、反向电压限制：不允许反向电压。万用表测量时也要分清电极，避免反向电压。4、电源电路中选择缓启动，避免上电浪涌电流。5、远离热源6、纹波电流降额使用。

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