银迁移导致瓷片电容器烧损故障案例分析

一、故障现象

某产品在运行过程中，发生多层陶瓷电容器（以下简称瓷片电容器）在加电运行过程中，不时发现冒烟烧毁，被损坏的实物照片如图1所示。

图1

二、多层瓷片电容的内部结构

陶瓷是用黏土等无机物在高温下烧结而成的。在陶瓷薄片的两面印刷银钯浆，然后将其重叠加压放入高温炉烧结成带多层内部电极的叠层瓷片电容器体，再在电容器体的两端面上涂银浆料，在400℃的温度下烧结成端面为银的被膜，将内部的各电极连接起来。然后，再在端子的银被膜上先后镀上Ni、Sn或焊料。多层瓷片电容器的内部结构如图2所示。

陶瓷电容器存在的问题是因陶瓷是多孔质的，烧结之前在陶瓷片上含有的水分、有机溶剂和黏结剂等，在烧结的温度下都变成无数的微细空洞散布在电容器的内部，其断面照片如图3所示。从照片上可以明显地见到很多小孔。

图2

图3

三、故障机理

瓷片电容器的电极大多采用银，而由于瓷片电容器的吸湿性所导致的在其内部微细空洞内壁上的水膜能够溶解银。溶解的银离子在电场的作用下将向相对的另一电极方向迁移，并在另一电极侧还原成金属银。

Ag离子的迁移是电化腐蚀的特殊现象。它的发生机理是在绝缘基板上的Ag电极（镀Ag引脚）间加上直流电压后，当绝缘板吸附了水分时，阳极被电离，如图4所示。

图4

水（H2O）在电场作用下被电离：

H+移向阴极，从阴极上获得电子变成氢气（H2）向空间释放，而OH-则移向阳极，把阳极的银溶解，形成氢氧化银，其化学反应式为：

由电化反应生成的AgOH是不稳定的，很容易和空气中的氧或合成树脂中的基团反应，在阳极侧生成氧化银。

假如阳极侧不断地被溶蚀，氧化银不断生成，直到抵达阴极，从阴极侧被还原析出金属银，其反应如下：

由于上述反应是不断循环的，故Ag2O不断地从阳极向阴极方向呈树枝状生长，g2在阴极不断地被还原析出Ag。

Ag的迁移现象不仅沿绝缘基板的表面，沿基板的厚度方向也会发生迁移，如图5和图6所示。

图5

图6

由于银离子迁移，导致在陶瓷片内部的银呈树枝状向另一电极方向不断生长、延伸，最终导致两电极间短路，短路部分的银被瞬间大电流产生的高温蒸散而消失。如此反复，导致陶瓷内部有较多的银参与扩散，从而使陶瓷由绝缘体演变为半导体。故只要在电极间加上电压，陶瓷便变成加热器而冒烟，甚至发生火灾。解剖长期使用的瓷片电容器，往往会发现白色的陶瓷断面变成了黑色。

四、银迁移的抑制

银离子的迁移会造成相互绝缘的导体间形成旁路，造成绝缘下降乃至短路。

银迁移与PCB板上导体材料，施加的直流电压的大小与时间，水的纯度，处理的温度、湿度等因素有关。

关于银迁移的抑制主要从诱因着手，有如下几个方面:

1.导体材料，如在纯银中添加钯可以抑制银迁移。

2.密封，在潮湿环境下要考虑产品的密封性，采用防潮措施。

3.布线设计，采用了银质元件的电路，考虑在周围加大线距。