薄膜电容器的失效分析和试验方法_袁捷

Ke y w o rd s : Film Ca p a c itors ； Mois ture Te s t； Mois ture Ga s ； Coa ting ； Fa ilure Ana lys is ； AC Volta g e ； Re lia b ility
CLC n u m b e r: TM53
绿色质量工程
薄膜电容器的失效分析和试验方法
Failure Analysis and Test Methods of Film Capacitors
袁 捷 (飞利浦照明电子全球研发中心， 上海 200233)
Yu an J ie (Philips Lighting Electronics Global Development Center, Shanghai 200233)
39 2008 第 11 期
R 可靠性分析 e lia b ility Ana lys ห้องสมุดไป่ตู้s
提供恢复变化达到平衡的数据与薄膜电容器的结构和末 道漆无关， 仅仅在潮气吸收 / 扩散作用的速度上有差异， 这 些依赖于：
a. 电 容 器 的 末 道 漆: 潮 气 会 较 快 渗 透 进 入 未 涂 覆 的 元 器 件内部， 同时扩散出来也快。
之， 增强防潮和抗交流电能力可以保证薄膜电容器以及电子镇流器处于高质量水平。
关键词： 薄膜电容器； 潮湿试验； 潮气； 包封； 失效分析； 交流电压； 可靠性
中图分类号： TM53
文献标识号: B
文章编号： 1003- 0107(2008)11- 0039- 04
Ab s t ra ct : Film c a p a c itors fa ilure ’ s ma in c a us e s we re from the ir p oor a nti- mois ture a b ility of p rote c tive la ye rs a nd e xis te d AC volta g e in re a l a p p lic a tions . This p a p e r firs tly introd uc e d the ma nufa c ture p roc e s s e s of film c a p a c itors a nd us ing c ond itions in e le c tric b a lla s ts , the n a b out mois ture ’ s b a d e ffe c ts to c a p a c itors a nd the ir fa ilure a na lys is . The write r us e d d e ta ile d the ory e xp la na tions , c omb ine d to
表 1 潮湿试验条件的严酷度 S 和相对严酷度 S' 比较
温 度 (℃) 40 65 85
相对湿度(%) ρ(g r/m3)
93
47
95
151
85
294
S 4.89(E- 6) 5.14(E- 5) 2.31(E- 4)
S' 1.0 10.5 47.3
3 薄膜电容器的失效分析[2]
由于实际电容器是在工作应力(包括使用电压、 纹波电流 和 充 放 电 循 环 次 数)和 环 境 应 力(包 括 温 度 、 湿 度 、 大 气 压 和 振 动)的 综 合 作 用 下 工 作 ， 因 而 会 同 时 产 生 一 种 或 几 种 失 效 模式和失效机理， 还会由一种失效模式导致另外失效模式或 失效机理的发生。 例如， 温度应力既可以促使表面氧化、 加 快老化进程、 加速电参数退化， 又会促使电场强度下降， 加 速介质击穿的提前到来， 而且这些应力的影响还是时间的函 数。 因此， 电容器的失效机理是与产品的类型、 材料的种 类、 结构的差异、 制造工艺及环境条件、 工作应力等诸因素 有密切的关系。
b. 周围环境温度和湿度。 吸收 / 扩散作用的时间常数典型值会有所不同， 从半天 (比如: 未涂覆的电容器)到几周(比如: 有塑料外壳的电容器)。 长时间与潮气接触的薄膜电容器会产生不可逆的作用， 直接与液体水接触， 尤其是对于未涂覆的元器件， 或者过多 暴露在周围高湿度或露水中， 将会最终影响薄膜金属化层， 以致损坏电容器。 潮湿作用的模拟可以通过在不同气候类别中的潮湿试验 来完成， 在更加恶劣的条件下， 如果考虑相对严酷度， 可做 加速试验。 任何潮湿试验的严酷度 S 可用产品的两个因子来 定义： S=ρ*FD ρ: 空气中水蒸气的密度, 是相对湿度和温度的功能, 这 些 数 据 可 以 从 标 准 湿 度 计 图 表 中 摘 录 。 (比 如 对 于 温 度 40℃ 和相对湿度 93%, ρ=47gr/m3) FD: 扩散的热加速因子(根据 Arrhenius 公式) FD=EXP(- E/RT) E: 扩散的激活能量(=10E4 cal/mol) R: 气体的通用克分子常数(=1.987 cal/mol K) T: 绝对温度(℃+273) 试验的严酷度 S 能帮助分析比较潮湿试验的条件, 举一 个例子, 在下面表格中, 比较一些共同试验条件的数据, 参 考标准条件(设定 40℃/93%RH 时, S'=1)， 可得 出其 它 试 验条 件的相对严酷度 S'。
总之， 为了电子镇流器的安全使用以及杜绝市场质量反 馈， 我们必须选择合适的既能耐高温高湿， 又能抵抗高频交 流电的薄膜电容器。
2 潮湿作用的分析[1]
潮气的吸收使在电容器内部增加了永久偶极子的数目， 在各个部位上对电容量、 损耗角正切和绝缘电阻产生了可逆 作用。 这些发生在 相对 湿 度 小于 93%的 环 境中, 能 够 通过 一 段时间的干燥过程来恢复。
Do cu m e n t co d e : B
Art icle ID: 1003- 0107(2008)11- 0039- 04
1 前言
通常, 当电子镇流器在生产线或市场上反馈信息说有失 效时, 我们经常发现是一些电子元器件失效所导致, 其中电 性能失效已成为元器件工程师最头疼的事情。 到底什么原因 使得元器件变坏？ 我们认为是元器件本身的一些特性或缺陷 以及电子镇流器的实际应用条件， 导致其失效， 现以薄膜电 容器为例来分析说明。
us e d iffe re nt mois ture te s t me thod s a nd a p p ly DC or AC volta g e to e va lua te the film c a p a c itors ’ re a l withs ta nd ing a b ility. Throug h p re -
薄膜电容器的制造过程简单介绍： 原材料受入检验→卷绕→热压→掩膜→喷金→拆膜→赋 能→点焊→配料→包封→热处理→打印标志→外观检查→电 参数测试分选→逐批检验→包装入库→出库交客户 在上面这些工序中， 我们认为“ 配料→包封→热处理” 这一段是最重要的工序过程之一。 绝大多数失效事件的起因 (潮 湿 )都 来 源 于 它 。 我们知道薄膜电容器被广泛应用于电子镇流器中， 在使 用上有一些特殊的要求， 这主要包括高湿度、 高电压、 高频 率、 高温度、 高纹波电流和长寿命等。 电子镇流器被安装在 屋外， 它们的使用环境是非常严酷的， 必须承受恶劣的外界 环境， 比如严寒和冰雪， 高温和雨水， 高湿等等。 在实际使用中， 薄膜电容器的性能老化及失效是由温 度、 湿度和电应力等综合影响引起的。 当有潮气存在时， 电 压还会引起电解， 加速老化过程。 对于薄膜电容器, 如果环 氧包封料保护层的防潮作用有限, 潮气就会侵入， 例如在 “ 配料→包封→热处理” 这一段过程中， 环氧包封料的主剂
fe rre d c hoic e a nd d a ta c omp a ris on, he c onc lud e d tha t “ 85℃， 85%RH, a p p lying AC volta g e ” wa s the mos t e ffe c tive . In s hort, the im-
潮湿是引起薄膜电容器电性能参数退化的主要原因。 这
是因为水分子具有很强的渗透和扩散能力， 而水的介质常数 很大(ε=80)， 损耗 也 很 大， 从 而 导 致电 容 器 的电 性 能 急剧 恶 化， 如绝缘电阻及耐压强度下降， 介质损耗角正切值增加和 电容量变化。 特别是当环境温度升高时， 水分子的渗透和扩 散 能力 增 强 ， 因此 ， 高 温 高湿 环 境(比 如 85℃， 85%RH)对 电 容器的电性能影响更为显著， 从而导致产品失效率增加， 可 靠性降低。
p rove me nt on a b ility of a nti- mois ture a nd a nti- AC volta g e c ould ma ke film c a p a c itors a nd e le c tric b a lla s ts a t the top q ua lity le ve l.
摘 要： 薄膜电容器失效的主要原因在于其保护层防潮性能不好和实际应用中存在交流电。 文中先介绍薄膜
电容器的生产工艺和电子镇流器的使用环境， 再介绍潮湿对电容器的危害作用， 以及电容器的失效分析。 作者
运用详细的原理解释， 结合用不同的潮湿试验条件和施加直流电压或交流电压的方法来评估薄膜电容器的实际
承 受能力， 通 过优化选 择和数 据对比， 得 出 结 论 “ 85℃， 85%RH， 施 加 交 流 电 压 ” 是 最 有 效 的 试 验 方 法 。 总
与固化剂的配 比 称重 ， 或 热 处理 干 燥 工艺(时 间 、 温度)不 当 ， 以 及 保 护 层 的 覆 盖 效 果 不 佳 (未 完 全 包 住 卷 绕 芯 子 或 保 护 层 偏薄, 厚度不够)时, 潮气的侵蚀会加快。 特别是受到热、 紫 外线、 空气中的二氧化硫、 臭氧等作用, 包封层容易老化, 致使表面产生许多小孔和细微龟裂, 使潮气更易侵蚀。 因此, 保护层的性能和质量对提高薄膜电容器的耐湿负荷寿命是很 有关系的。
潮气对电容器的影响主要有两种方式： 一种是以水膜状 态附着在产品表面上; 另一种是渗透到介质材料内部。 当电 容器表面环氧包封料保护层材料介质存在缝隙、 微孔等缺陷 时, 其影响更加显著。
当环氧包封料保护层不良时， 一旦薄膜电容器暴露在高 温高湿度环境中， 它的介质和电极会很快老化， 引起损耗变 大 ， 尤 其 在 85℃， 85%RH 情 况 下 ， 最 终 电 容 器 将 由 于 过 热 过湿而失效。 解剖失效品的芯子后会发现金属膜材料老化收 缩， 有时甚至可出现发白现象， 这就是薄膜电容器受高温高 湿气体冲击导致产品的芯子中部膨胀鼓起， 并发生变形现 象。
同 时 ， 电 子 镇 流 器 在 正 常 工 作 时 的 频 率 为 40—50KHz， 高频交流电会对电容器产生很大影响， 这是由于电容器的损 耗在高频电流通过时产生内热， 它可能会引起承受电压能力 的退化， 甚至导致短路或着火， 最终导致电容器会损坏或品 质 退 化 。 虽 然 ， 一 般 薄 膜 电 容 器(安 规 产 品 除 外)都 标 称 直 流 电压， 但在电子镇流器的实际使用中， 会用到交流电， 或直 流电叠加交流电， 甚至是高频交流电， 所以对产品性能提出 了更高要求。
4 潮湿试验方法对比
方法一： 40℃， 93%RH, 500 小时， 施加额定直流电压。 方法二： 40℃， 93%RH, 500 小时， 施加额定交流电压。 方法三： 85℃， 85%RH, 500 小时， 施加额定直流电压。 方法四： 85℃， 85%RH, 500 小时， 施加额定交流电压。 我们选用两家世界著名薄膜电容器生产商的粉末包封浸 渍 型 高 压 金 属 化 聚 丙 烯 膜 电 容 器 9.1nF 和 12nF/1250Vdc (450Vac)来做 潮 湿 对比 试 验(各 10 颗)。 40℃， 93%RH 是 通 常 的 潮 湿 试 验 条 件 , 它 与 IEC 60115- 1 和 JIS C 5201- 1 的 条 款 是 一 致 的 。 选 择 85℃， 85%RH 的 理 由 来 自 于 它 的 严 酷 , 当 你打开此条件下做耐湿负荷试验的恒温恒湿箱的门时， 会发 现里面的潮气很浓， 而且蒸气正扑向你。 所以， 我们经常提 醒周围的人们注意热蒸气， 避免被烫伤。 你可以想象一下， 在如此恶劣的状态下， 蒸气对薄膜电容器环氧包封料保护层 的损伤是多么严重。 而且， 潮湿对电容器的电性能影响一般 来说虽然是可逆的， 即潮气去除后电性能是可以恢复的， 但 是在高温高湿和电压条件下发生电解作用后是不可逆的， 这 就 是 为 什 么 我 们 要 选 择 85℃， 85%RH 施 加 电 压 作 为 试 验 条 件的根本原因。 只有这样， 才能更好地考核薄膜电容器的质 量， 更加明显地区分出其水平高低。 在下面试验中， 容量和 损 耗 的 测 试 条 件 为 25kHz/1Vrms， 试 验 标 准 为 电 容 量 变 化 率 △Cp/Cp≤±5%， 损耗的增加量△tgδ≤15*(E- 4) 。 从上面的试验数据对比， 我们可以得出以下结论： a. 在 通 常 IEC 和 JIS 标 准 规 定 的 40℃ ， 93%RH 试 验 条 件下， 这两家供应商的产品都是合格的， 而且容量的变化率 和损耗的增加量都较小， 说明生产过程控制得很好， 质量水 平很高， 不愧为飞利浦的全球供应商。 b. 无论 在 40℃， 93%RH， 还 是 在 85℃， 85%RH 下, 施 加额定交流电压后的产品容量变化率的绝对值和损耗的增加