各类电容失效原因详细解剖
陶瓷电容失效分析：
这种由陶瓷材料、端部电极和金属电极组成的片状陶瓷电容，其故障模式在于金属电极与陶瓷介质界面处出现错位，功能上会在受到外力作用（例如轻微弯曲板件或用烙铁触碰）以及温度剧变（比如焊接时）导致电容值时强时弱。
多层片状陶介电容器具体不良可分为:
1、热击失效
2、扭曲破裂失效
3、原材失效三个大类
（１）热击失效模式：
高温失效的机理在于：制作复合型电容器件时，混合多种适配物料会造成其内部产生不同的热应力与传热效能差异。温度变化速率过高时，容易发生因受热冲击而导致的断裂情况，此类断裂通常发生在构造最为脆弱且力学结构最为密集的部位，常见于靠近外部连接处和中心陶瓷连接处的界面位置，以及产生最大机械应力的区域（通常位于晶体最坚硬的四个角），受热冲击可能引发多种后果：
第一种是显而易见的形如指甲狀或U-形的裂縫
第二种是隐藏在内的微小裂缝
第三种裂纹可能从中心外露区域，或陶瓷与端接界面下方产生，接着随着温度变化，或组装过程中，沿着弯曲方向逐渐扩展。
第四种裂缝呈现指甲形或U形，第二种裂缝则藏于内部且细微，两者差异在于后者承受的拉力较轻，造成的裂缝也较不显著。第一种引发的断裂非常明显，通常能在金相组织中识别，第二种裂缝需先扩展到一定阶段，才能在金相组织中显现。
（２）扭曲破裂失效
此种不良的可能性很多：按大类及表现可以分为两种：
第一种情况、SMT阶段导致的破裂失效。
在搬运零件时，特别是进行表面贴装技术作业时，夹具容易因磨损、定位偏差或角度偏移而出现故障。这些夹具聚集的压力过大，会导致局部应力集中，最终引发零件的断裂现象。
这些破损通常表现为外部的细小裂纹，或者发生在两到三根电极中间的内部断裂；外部的裂纹一般会沿着压力最大和陶瓷移动的路径延伸。
在真空吸取过程中造成的破损或断裂，通常会在器件表面显现出弧形或半圆形的凹陷区域，其轮廓并不规整。而且，这类凹陷的宽度往往与吸取工具的尺寸相匹配。
另一次因吸头导致的破损，是拉扯引起的断裂，裂纹会从部件中间的一侧延伸至另一侧，这些裂纹或许会扩展到部件的另一面，并且其崎岖的裂口可能使电容器的底部受到损伤。
第二种情况、SMT之后生产阶段导致的破裂失效。
在电路板进行切割、测试、背面组件和连接器安装以及最终组装期间，如果焊锡组件发生形变，或者焊接完成后将电路板强行矫正，都可能导致类似“扭曲破裂”的损伤出现。
当金属片在外力影响下发生弯曲时，陶瓷的移动空间会被其两端的固定点和连接部位所约束，断裂现象常出现在陶瓷的连接区域，这种断裂会从出现的地方向周边扩散，沿着倾斜的方向逐渐扩大。
第三种情况、原材失效
多层陶瓷电容器一般存在两种主要类型的基本内部瑕疵，这些瑕疵通常能够对产品的稳定性造成破坏，具体表现为以下几种情况：
电极部位出现断裂或接触点损坏，此类问题会导致电流异常增大，进而降低器件的稳定性能，具体阐述如下：
电极之间发生失效，以及连接线断裂，主要是由陶瓷材料内部存在较多空隙，或者电介质层与对应电极之间存在间隙造成的，导致电介质层在电极之间被撕裂，从而形成潜在的漏电隐患。
这种断裂的形态跟电极成直角，通常从电极的侧面或者末梢开始出现。如果断裂面是垂直的，那么就应该认定这是由燃烧造成的。
备注：
材料失效类型里，首类失效在于平行电容内部层间结合状况难以检测，而第三类垂直结构金相则可确保检测到
结论：
因受热导致的破损会从表层向构件深处扩展，而因过度机械应力产生的损伤，则可能出现在构件的表层或内部，这些损伤通常会沿接近45度角的方向扩展，至于材料本身失效时，引发的裂纹会与内部电极形成垂直或平行的走向。
另外：
断裂通常从一处端面扩展到另一处端面，由取放设备引起的断裂，会在端面下方形成多处断裂痕迹，而因电路板发生形变导致的破损，一般仅有一个断裂位置。
钽电容：
长处在于占用空间有限，储存电荷的能力很强，可以有多种外观设计，能够使用很多年，运行非常稳定，适应的环境温度区间很广。
缺点：容量较小、价格贵、耐电压及电流能力较弱。
应用：军事通讯、航天、工业控制、影视设备、通讯仪表。
它也是一类电解电容，采用金属钽作为介质材料，不同于常规电解电容使用电解液，钽电容无需像普通电解电容那样利用镀铝的电容纸卷制，其本身电感极小，然而这一特性也对其容量大小构成了制约。
在需要大容量，同时要求低ESL的场合，我们会采用钽电容。
2.由于钽电容内部没有电解液，很适合在高温下工作。
——一些温度范围要求比较宽的场景。
钽电容器的核心材料是一层极薄的五氧化二钽膜，该膜层在钽金属表面形成。这层氧化膜与电容器的一极紧密相连，二者构成一个不可分割的整体。由于这种结构，单位体积内能够承受极高的电场强度，因此其电容量十分可观。电容量大意味着该器件特别适合实现小型化设计。
在高集成度应用中，铝电解电容占据的物理空间相对较大，而陶瓷电容在容量方面难以满足需求的情况。
钽电容品质卓越，体积极小却能提供大容量，在电源净化、交流绕行等应用场合几乎无对手。这种电容器能够储存电荷、执行充放电操作，常用于过滤杂质、积蓄并转换能量，作为标记绕行、连接与隔离电路，也可充当时间常数组件。使用时需关注其性能表现，恰当运用能促进其效用最大化，比如要顾及产品运作场合及其温升状况，也要实施减量操作等手段，一旦操作失当会缩减产品的运用年限。
比如USB端口输出，必须限制功率，确保耐压能承受5V，在要求元件高度集成的情况下，当陶瓷电容无法同时满足高耐压和较大容量的需求时，我们只能选用钽电容，这是因为陶瓷电容的蓄能表现，不能简单用并联电容值来衡量，要获得同等效果需要付出很高代价。
5.钽电容的容值的温度稳定性比较好。
在部分关联性较强、需要滤除杂波的情境下，当对相位及滤波器的频域响应标准较为严苛时，并且对容量精确度也有较高期待的情况下，会采用无极性的钽质电容器件。例如在追求高音效的音频设备构造中。我们应当关注电容在不同环境温度下的精确表现与稳定性。瓷质电容的温控适应性显然存在不足。
钽电容器运行期间，能自动修复或切断氧化膜里存在的缺陷，让氧化膜介质持续获得加强，并恢复其应有的电绝缘作用，避免遭受接连不断的损伤累积。这种特殊自我修复能力，确保了它具备长使用时间和高稳定性的好处。
——铝电解电容由于干涸不能满足寿命的场景。
第一、钽电容失效的模式很恐怖
轻微时会起火冒烟，严重时会产生耀眼火光。这个地方不详细说明“钽电容”故障现象的原理。
这个失效状况表明：倘若电容损坏，只要导致电路停摆或运行不正常，便算小故障，顶多只需退货处理。一旦引发客户场所火灾，便必须承担对他人人身及财产造成的损害赔偿。那时后果将十分严重。这就是我们坚决不选用钽电容的根本原因。
第二、钽电容的成本高
观察我们店铺淘宝页面，可发现100微法拉钽电容和100微法拉陶瓷电容的价位差异，大致上，钽电容的售价是陶瓷电容的十倍。
当电容容量低于100微法时，目前我们大多数情况下，只要耐压符合要求，通常会选择使用陶瓷电容。
电容体积如果超出1206尺寸，或者其承受电压能力显著增强，务必小心挑选。
贴片陶瓷电容最普遍的损坏形式是断裂，这与其内部介质的易碎特性有关，封装尺寸越大越容易发生这种情况，因为它们直接安装在电路板上，直接承受电路板带来的各种机械压力，而引线式陶瓷电容则可以通过引脚来分散这些压力，所以对于贴片陶瓷电容而言，热膨胀系数差异或电路板变形产生的机械压力是其损坏的主要原因。
第三、钽电容未来将耗尽，有钱都不一定能买到
2007年，美国国防后勤署已经储存了十多年的钽矿物，根据美国国会会议的决定，该机构将用完其持有的最后14万磅钽材料，从美国国防后勤署购买钽矿石的买家包括HC、DM Chemi-Met、ABS合金公司、Ulba冶金公司和采矿公司，这些公司代表了众多将钽矿石加工成电容器级粉末、钽制品磨损件或切削工具的企业。长期以来，向美国国防后勤署采购这些钽矿石的供应商始终如一，因此，每当钽矿石的供应出现短缺，由于美国国防后勤署的储备告罄，部分企业便不得不积极寻找其他的矿石供应渠道。
第四、为什么这是一个很重要的发展方向？
倘若美国国防后勤署的钽矿石供应中断，那么2007年钽矿石供应市场将出现15万磅的不足，2008年不足量会达到35万磅。这一情况的发生时机非常糟糕，毕竟当前的供应能力已经十分紧张。比如澳大利亚的瓜利亚子公司作为第二大硬研矿石供应方，在第四季度全面减少了矿石开采量，降幅达到25%，相当于格林布什矿产量的一半，目的是为了确保该公司能顺利处理在澳大利亚的管理事务。类似地，巴西冶金公司和巴拉那巴拿马公司在2006年的钽矿石生产量也出现了下滑，原因是这些公司将资源更多地投入到开采回报率更高的金属项目上。非洲地区的主要钽矿石供应地刚果民主共和国，至今受联合国影响仍未实现生产能力的最大化，但是，2006年期间有大量消息透露，众多投资家正积极寻求获取当地钽矿资源，这一现象似乎暗示着钽矿石的供应出现了短缺的情况。
钽电容使设计者能够在最小的空间内实现最大容量，容量区间为47微法到1000微法，特别适合对体积有严格要求的场合，当系统集成度较高且需要大容量、低阻抗时，这种电容展现出其独特价值。
大容量低耐压钽电容的替代产品：高分子聚合物固体铝电解电容器
新型固态铝电解电容器不同于常规电解电容，它选用具备优良导电性能和稳定性的高分子导电材料充当固态电解质，以此取代了传统铝电解电容中的液体电解质，这种固态电解质的导电效率极高，同时配合其创新的结构布局，显著克服了传统液态铝电解电容的不足，呈现出非常出色的性能表现。
高分子聚合物固体电解电容器具备极低的损耗，其高频低阻抗特性十分理想，因此被大量应用于各种电路之中，包括退耦和滤波等场景，表现出色，尤其在高频滤波方面效果显著。
一个实验能够更加形象和明确地揭示出高分子聚合物固体铝电解电容器同常规电解电容的高频性能存在显著不同。当在平稳电路输入端附加1MHz（峰峰值电压8V）的高频杂波信号时，若采用一只47uF的高分子聚合物固体电解电容器进行滤波处理，那么输出端的噪声水平会大幅度降低至峰峰值电压30mV。要获得相同的滤波作用，可以连接4个常规的液态铝电解电容器，也能够串联3个100微法的钽电解电容器。
另外，在滤波性能更出色的条件下，高分子聚合物固体铝电解电容器的占用空间大幅度低于常规铝电解电容器。
高分子聚合物固体铝电解电容器在制作工艺持续进步下，其长处开始逐渐显露出来，然而，其成本也需要继续调整。
铝电解电容的失效分析
铝电解电容是一种常见的电容器类型，应用场景十分多样。它可以用来进行信号滤波，也可以作为电路的旁路元件，同时还能实现信号耦合的功能。此外，这种电容器还能吸收电路中的瞬时脉冲，消除电路中的噪声干扰，调整相位关系，以及降低电压等级等。针对铝电解电容，通常会进行一系列电性能指标的检测，比如测量其电容量大小，评估其损耗角正切值，检测漏电流情况，确定额定工作电压范围，以及分析其阻抗特性等。在故障排查过程中，涉及铝电解电容失效的案例并不少见，那么这类电容常见的失效模式有哪些呢？
1.漏液
一般情况下，存放一段时间后容器可能会出现渗漏现象。温度上升、受到震动或密封结构存在瑕疵等因素，都可能使密封效果加速恶化。出现渗漏会导致电容数值降低，等效串联电阻变大，同时功率损耗也会随之增加。渗漏会造成活性电解液减少，进而失去修复阳极氧化层的能力，最终导致自愈功能失效。另外，电解液本身带有酸性，一旦渗漏出来，会对电容器邻近的其他电子元件以及线路板造成污染和损害。
2.介质击穿
铝电解电容器发生失效是因为阳极上的氧化铝保护层出现了破损，造成电解质溶液直接接触到阳极表面。这种氧化铝膜可能会在各种因素影响下产生局部缺陷，包括材料特性、制造过程或外部环境因素。当设备承受外加电场时，电解质溶液中的氧离子能够在受损区域重新生成氧化膜，从而实现阳极氧化层的自我修复和补平。倘若修复区域夹杂异物离子或存在其他瑕疵，导致填充工作不彻底，阳极氧化层便会形成细小孔隙，甚至可能演变成贯穿性破口，致使铝电解电容失效。制作上的不足，例如阳极氧化膜不够紧密且强度不足，当后续铆接操作不当时，引出导线上的尖锐突起会划伤氧化层，这些受损区域电流泄漏严重，局部过热会引发电容器热性击穿。
3.开路
电容器内部连接状况恶化或完全中断时，往往会出现开路现象。连接性能劣化可能源于多种因素，包括腐蚀现象、结构震动或机械外力影响。铝电解电容在炎热且湿度大的条件下运行时，其正极连接片可能因电化学作用受损而断裂。正极连接片与正极薄箔之间接触不稳固，同样会导致电容器产生断续性的开路状态。
4.其他
刚参加工作时，铝电解电容器在运行期间，电解液会持续修复并使阳极氧化膜变厚，这种现象叫做补形效应，因此会导致电容值减少。
后期使用时，电解液消耗量大，溶液变得粘稠，电阻率上升，造成电解质等效串联电阻变大，能量损耗增加。同时，溶液粘度提高，难以与铝箔表面凹凸不平的氧化膜层充分接触，这导致电解电容的有效极板面积减少，进而引起电容量降低。另外，低温环境下工作，电解液粘度也会变大，最终造成电解电容损耗增加和电容量下降等问题。
参数
铝电解电容
电容量
业界可以做到 0.1uF～3F （常见容量范围
0.47uF～6.8mF），工作电压从5V～500V。
从25摄氏度到高温顶点，容量提升不超过百分之五到百分之十；针对零下四十摄氏度的电容，在
零上20℃的温度区间内，低压电容的容量基本保持稳定，高压电容的容量则略有上升；当温度进一步升至40℃时，低压电容的容量会略有增加，而高压电容的容量增幅更为明显，大约达到了初始值的30％左右
零下四十摄氏度的环境下，容量减少最为显著；针对零下五十五摄氏度的极端电容，在零下四十度的情况下，衰减效应最为明显。
常不超过10％；在－55℃时，不超过20％。
ESR
在25摄氏度时，该指标的数值通常介于几十毫欧姆到2.5欧姆之间，低该型号的数值一般只有几十毫欧姆，该数值会随温度的升高而有所改变，通常情况下，温度从25摄氏度上升至高温时
当温度达到极值时，ESR数值会减少约三成到半数；当环境温度从二十五摄氏度降至最低点时，ESR的值会增长十倍到百倍之间。
ESL
铝电解电容的寄生串联电感量相对固定，不会随频率和温度波动，对于普通铝电解电容，该数值不会超过100纳亨利，如果是表面贴装封装，数值介于2纳亨利到8纳亨利之间，如果是径向插入式封装，数值在10纳亨利至30纳亨利之间，如果是螺旋式（ screw- ）封装，数值在20纳亨利到50纳亨利之间，而轴向插入式封装的数值则能达到200纳亨利。
板上工作频率范围
主要用来进行低频过滤，频率上限在几百千赫兹，不过对于一兆赫兹以下的部分也略有影响。
可靠性薄弱点及其避免
铝电解电容能否可靠工作关键在于温度条件，这是因为它的电解质是液体状态，一旦内部元件产生热量，电解液就会逐渐气化，时间长了就会完全失去电解液而无法使用，特别是在脉冲交流电路中使用时，纹波电流通过等效串联电阻时产生的热量，会显著缩短电容器的使用期限。
使用建议
在温度超过七十五度的环境下，要尽量减少使用小型铝电解电容，优先选择容量更大的型号，这样可以更好地利用铝电解电容的特性。这种电容比较适合用于工频整流后的平滑滤波，开关电源的输入滤波，以及低频开关电源的输出滤波，但不建议用于高频开关电源的输出滤波环节。
参数
钽电解电容
电容量
由于是固体烧结式工艺和材料，其CV值（电容与电压的乘积）难以取得很大，容量和电压存在一定限制，通常容量介于0.1uF到1uF之间，有时可达220uF；工作电压范围在2V至50V之间，常见耐压水平为6.3V到50V；容量数值会随频率升高而降低，因为采用固体MnO2电解质，其容量受温度影响较小，即便在-190℃的低温下，容量也仅减少10%。
ESR
ESR的温度表现十分稳固。制造商提供的ESR最高限度，能够当作设计时的依据，然而实际数据通常远低于这个上限。
ESL
良好布线情况下一般为2nH左右。
板上工作频率范围
频率过滤范围较低，上限不超过兆赫兹级别，通常集中在百千赫兹到兆赫兹之间。
可靠性薄弱点
及其避免
钽电容的稳定运用关键在于电压的降低程度和电压的波动速率，如果电压降低程度不足，并且设备在开启和关闭时切换迅速，最好选用其他类型的电容来代替。此外，处于边缘规格的钽电容制造工艺尚未完善，需要谨慎使用，特别是在对可靠性要求很高的环境中，更不应该采用这种电容。
使用建议
高于十五伏的直流电滤波不宜选用钽电容，特别是在电源输入端启动速度快的区域。在电压较低但启动迅速的情境下，应当配置启动延时装置。高温环境会提升钽电容发生故障的风险，所以在高温条件下工作需进行电压降额设计。
参数
陶瓷电容
电容量
第一类材料，比如NPO或COG，具有小容量特点，并且性能非常稳定；它们的电学特性几乎不受温度、电压和时间的影响；第二类材料，即X7R，电容率显著更高，相同体积下电容值比第一类高出20到70倍；不过当温度在-55℃至125℃之间波动时，电容值变化通常控制在±10%，极端情况下可能达到+15%到-25%；第三类材料，也就是Z5U，电容率也较高，常用于制造大容量电容器，但稳定性不如X7R；它的电容值能达到第二类的五倍，然而对温度、电压等因素非常敏感，稳定性欠佳，当温度从-25℃调整到85℃时，电容值可能变化+20%到-65%。
ESR
ESR值介于数毫欧姆和数百毫欧姆之间，电容越小，其ESR值就越高。ESR随温度的升降呈现线性趋势，使用X7R介质时，在125℃环境下的ESR仅为室温状态的20%，而在-55℃时则比室温状态下高出两倍以上。相比之下，NPO材料的稳定性要强得多，其变化系数大约只有X7R材料的三分之一。
ESL
ESL的数值会随封装类型不同而变化，通常0603和0805这两种封装的ESL，在布线条件理想时大约为1nH，而1206和1210这两种封装的ESL，则在布线条件理想时大约为1.2nH。
板上工作频率范围
高频滤波方式多样，频率范围很广，可从数兆赫兹延伸至数百兆赫兹，甚至达到1吉赫兹。
可靠性薄弱点
及其避免
易受温度剧变引发断裂，主要因为焊接尤其是波峰焊接时承受温度剧变所致，不恰当的返修也是温度剧变断裂的关键诱因。多层陶瓷电容器的特性在于能够承受较大的压缩应力，但抗弯曲性能相对较弱，任何可能造成弯曲形变的行为都可能导致器件出现开裂。
使用建议
铺设线路时，应防止陶瓷电容设置在受力部位，比如电路板的边沿、连接件周边等位置，务必让多层陶瓷电容器远离工艺环节中易出现显著机械应力的地段。其中，NPO电容的稳定性相对较高，而X7R电容和Z5U电容（或Y5V）的电容值会随温度和电压的变化而波动。
高可靠电源行业第一自媒体