型號(hào)設(shè)備用鉭電解電容器可靠性研究

陶帥，胡小海

（上海航天技術(shù)基礎(chǔ)所,上海 201109）

0 引言

鉭電解電容器具有電性能優(yōu)良穩(wěn)定、密封性好、可靠性高、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、貯存穩(wěn)定性好、片式化程度高、直流漏電流和等效串聯(lián)電阻 （ESR）低,以及綜合性能優(yōu)異等特點(diǎn),不僅在常規(guī)條件下比鋁、陶瓷和薄膜等電容器的體積小、容量大、可靠性和穩(wěn)定性高,而且能夠在許多其他電容器不能勝任的嚴(yán)酷環(huán)境條件下正常工作,因此,主要應(yīng)用于航天、航空和導(dǎo)彈等軍用電子設(shè)備中。

航天某研究院在某型號(hào)設(shè)備中使用了大量的鉭電解電容器,主要是用在信號(hào)、電源濾波和儲(chǔ)能等方面。由于使用量大,接連發(fā)生了多起鉭電解電容器失效的情況,筆者分析了這幾起鉭電解電容器的失效案例,并給出了型號(hào)設(shè)備用鉭電解電容器選型和使用的建議和措施。

1 鉭電解電容器失效案例

1.1 DC-DC電源用有可靠性指標(biāo)的氣密封非固體電解質(zhì)全鉭電容器CAK39H-63 V-560UF失效案例

2016年3月2日,一個(gè)電源模塊在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的過(guò)程中出現(xiàn)掉電現(xiàn)象,將該模塊返所后進(jìn)行模擬試驗(yàn),其中一只產(chǎn)品出現(xiàn)炸裂。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):本次電容器失效為偶然失效,主要原因?yàn)樵陔娐穭?dòng)態(tài)的復(fù)雜性和不確定性的影響下,個(gè)別產(chǎn)品的氧化膜薄弱處出現(xiàn)晶化,在多次上電和取電的使用過(guò)程中,晶化進(jìn)一步地加劇,導(dǎo)致產(chǎn)品漏電流增加,產(chǎn)品發(fā)熱嚴(yán)重,最終導(dǎo)致電容器爆炸。

1.2 慣性測(cè)量裝置用固體電解質(zhì)鉭電容器GCA-40 V-22UF-M失效案例

2016年5月21日,總裝廠對(duì)從某基地返回的前彈身電子艙進(jìn)行導(dǎo)通檢查,發(fā)現(xiàn)27 V回路的阻值為0.47 Ω,不滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。經(jīng)故障排查,發(fā)現(xiàn)慣性測(cè)量裝置C3電容器存在故障,導(dǎo)致27 V回路阻值異常。經(jīng)失效分析發(fā)現(xiàn):該鉭電解電容器的問(wèn)題為介質(zhì)氧化膜存在缺陷,在加電使用時(shí),在鉭芯介質(zhì)層缺陷位置處產(chǎn)生漏電通道,使局部溫度較高,并進(jìn)一步地使漏電流增大,最終引起鉭電容擊穿燒毀,鉭電容短路失效。

1.3 數(shù)字信號(hào)處理機(jī)使用的片式鉭電解電容器CAK45 A-C-35 V-10 μF-K阻抗異常失效案例

2016年10月29日,某型號(hào)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的接口管理板單板在常溫測(cè)試過(guò)程中,單板上電時(shí)刻-15 V電壓輸出電流異常變大,-15 V電壓供電電源輸出限流。經(jīng)單板測(cè)試發(fā)現(xiàn):-15 V電壓所在的網(wǎng)絡(luò)對(duì)地阻抗異常降低,單板-15 V網(wǎng)絡(luò)中位號(hào)C11、型號(hào)規(guī)格為CAK45 A-C-35 V-10 μF-K的鉭電容表面顏色變深,拆解該鉭電容后,測(cè)量電容的內(nèi)部阻抗時(shí)發(fā)現(xiàn)其異常降低為3 Ω,導(dǎo)致流經(jīng)該電容的電流過(guò)大,從而導(dǎo)致-15 V供電電源輸出限流。拆解問(wèn)題電容后,接口管理單板-15 V電壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)地阻抗恢復(fù)正常 （30 kΩ左右）,加電測(cè)試,發(fā)現(xiàn):單板各項(xiàng)功能正常。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),引起該問(wèn)題的原因?yàn)?個(gè)別鉭電解電容器本身存在氧化膜的固有缺陷,ESR值偏大；調(diào)試過(guò)程中設(shè)備選用不當(dāng),采用輸出功率較大的N6705B型電源分析儀結(jié)合紐子開(kāi)關(guān)加電,通電瞬間單板電源輸入端電壓變化率很大,在負(fù)載上出現(xiàn)較大的浪涌沖擊電流和高頻電壓噪聲；當(dāng)多只電容并聯(lián)使用且ESR一致性較差時(shí),ESR大的電容在大浪涌電流下短路失效,屬于使用質(zhì)量問(wèn)題。

這3起鉭電解電容器失效情況既有個(gè)別元器件氧化膜缺陷的原因,也有使用不當(dāng),降額設(shè)計(jì)不足,浪涌電流偏大等方面的原因。鉭電解電容器失效往往是多種因素相互疊加的結(jié)果。

2 鉭電解電容器失效原因分析

從對(duì)其使用的影響的角度來(lái)分,片式鉭電解電容器的主要失效模式有:浪涌電流失效、漏電流增大、焊接后出現(xiàn)起泡開(kāi)裂[1]和電參數(shù)漂移；全密封固體電解質(zhì)鉭電容器的主要失效模式有:老化擊穿短路、多余物短路[2]和引線斷裂開(kāi)路；氣密封非固體電解質(zhì)鉭電容器的主要失效模式有:漏液、銀離子遷移短路、引線斷裂開(kāi)路和電參數(shù)漂移。

2.1 浪涌電流失效

浪涌電流失效是指鉭電解電容器在上電瞬間出現(xiàn)擊穿并導(dǎo)致電容器永久性短路的一種失效模式。電容器在使用過(guò)程中受到超過(guò)其承受能力的電流沖擊時(shí),會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品電介質(zhì)氧化膜受到破壞。在繼續(xù)加電工作的過(guò)程中,氧化膜薄弱處的漏電流會(huì)增大,熱量迅速地增加,在局部部位,電容器陰極的MnO2經(jīng)過(guò)高溫?zé)岱纸夂髸?huì)釋放出氧氣,當(dāng)熱沖擊對(duì)氧化膜造成的損傷超過(guò)氧化膜自愈修復(fù)能力時(shí),氧化膜擊穿,氧氣通過(guò)介質(zhì)Ta2O5的裂縫或空隙與陽(yáng)極鉭接觸,由于鉭粉的活性極強(qiáng),會(huì)直接發(fā)生燃燒現(xiàn)象,從而導(dǎo)致電容器失效。

2.2 漏電流增大

漏電流增大會(huì)導(dǎo)致電路噪聲變大、濾波效果下降和電路性能下降等問(wèn)題。導(dǎo)致電容器漏電流增大的原因主要有:1）電容器本身的問(wèn)題；2）焊接條件過(guò)高；3）環(huán)境溫度過(guò)高；4）施加的電壓和電流過(guò)大。

2.3 焊接熱

焊接熱應(yīng)力對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的影響主要是發(fā)生所謂的 “爆米花”效應(yīng),即在熱應(yīng)力的作用下,封裝出現(xiàn)開(kāi)裂或鼓包的現(xiàn)象。引起該現(xiàn)象的原因主要有以下兩種。

a）在焊接熱應(yīng)力的作用下,當(dāng)焊接溫度超過(guò)包封材料的玻璃化溫度時(shí),會(huì)引起包封材料的物理性能發(fā)生變化,特別是膨脹系數(shù)發(fā)生突變,有可能造成包封材料和電極材料的熱膨脹失配,最終發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。片式鉭電容器發(fā)生鼓脹或開(kāi)裂的部位全部集中在包封材料和電容引線框架結(jié)合部位,從包封層剝離后的狀況來(lái)看,該處的包封材料最薄,而且材料和金屬框架之間的粘接性能最差。由此可見(jiàn),鼓脹或開(kāi)裂現(xiàn)象實(shí)際上是包封材料和金屬框架之間在最薄弱部位分離造成的。

b）元器件內(nèi)部的潮氣在焊接過(guò)程中急劇地膨脹,造成包封層外殼變形鼓脹。當(dāng)吸收了潮氣的塑封器件暴露在回流焊的高溫下或如果封裝融入熔融焊料或波峰焊料中,內(nèi)部潮氣就變成蒸汽,并迅速地膨脹,很容易發(fā)生各種作用而導(dǎo)致內(nèi)部分層、鍵合損傷和熱膨脹。

2.4 電氣參數(shù)漂移

電氣參數(shù)漂移是由于不當(dāng)?shù)陌惭b應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力、電應(yīng)力,貯存過(guò)程中的溫度、濕度,以及空氣中的有害物質(zhì)等造成的參數(shù)變化超出了產(chǎn)品手冊(cè)規(guī)定的范圍而造成的。

2.5 老化擊穿短路

由于原材料固有雜質(zhì)的存在,雜質(zhì)部位的介質(zhì)氧化膜生成不完整,氧化膜的厚度較正常區(qū)域薄,通過(guò)后期的高溫電壓老化和高溫漏電流測(cè)量,一般可以有效地剔除該類(lèi)介質(zhì)氧化膜存在缺陷、漏電流不合格的電容器,確保電容器的質(zhì)量一致性和后期的使用可靠性。但極個(gè)別介質(zhì)氧化膜存在輕微缺陷的電容器在經(jīng)過(guò)高溫電壓老化后,其介質(zhì)氧化膜缺陷處劣化程度較輕,漏電流仍在合格范圍內(nèi),而未被有效地剔除。交付用戶(hù)后,在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中,由于電應(yīng)力和溫度應(yīng)力的作用,鉭電容器介質(zhì)氧化膜缺陷處逐漸地劣化,漏電流不斷地增大,大電流均集中通過(guò)氧化膜薄弱區(qū)域,造成該區(qū)域溫度不斷地升高,在電應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用下,介質(zhì)氧化膜薄弱部位持續(xù)產(chǎn)生晶化點(diǎn)。當(dāng)晶化點(diǎn)長(zhǎng)到足夠大時(shí),介質(zhì)氧化膜出現(xiàn)破裂,原有的絕緣性能受到破壞,電容器漏電流和溫度急劇地增大和升高,最終導(dǎo)致?lián)舸┒搪肥А?/p>

2.6 多余物短路

全密封固體鉭電容器出現(xiàn)多余物的原因一般有以下兩種。

a）生產(chǎn)裝配過(guò)程中引入的多余物。將放有底錫的外殼放入經(jīng)調(diào)好溫度的裝配爐孔內(nèi),經(jīng)5～10 s,底錫熔化后,即把穿有絕緣子的鉭芯子插入外殼,同時(shí)在絕緣子上放入相應(yīng)的松香焊錫環(huán),待底錫和焊錫環(huán)熔化后將絕緣子擺正并搖動(dòng)鉭芯子8～9次,讓底錫完全熔化并包裹鉭芯后,用鑷子夾住外殼取出。在熔化底錫的過(guò)程中,由于外殼中的底錫熔化溫度為200～240℃,而鉭芯子為常溫狀態(tài),且鉭芯子為多孔結(jié)構(gòu),產(chǎn)品在高溫被膜后常溫下放置,多孔體會(huì)緩慢地吸附大氣,鉭芯子放入底錫中時(shí),由于存在溫差,鉭芯子受高溫迅速地向外排氣,就有可能造成個(gè)別產(chǎn)品底錫飛濺附著在鉭芯子上表面或絕緣子背面而造成多余物。當(dāng)飛濺附著的焊錫長(zhǎng)度達(dá)到電容器外殼內(nèi)徑的一半時(shí),在振動(dòng)的過(guò)程中多余焊錫就有可能將鉭絲與外殼搭接,此時(shí)就會(huì)造成鉭電容器短路失效,焊錫沒(méi)有將鉭絲與外殼搭接時(shí),鉭電容器電性能合格。

b）焊接安裝過(guò)程引入的多余物。電裝過(guò)程溫度過(guò)高或者焊點(diǎn)離封口錫包太近,都會(huì)造成全密封固體鉭電容器受熱后密封口焊錫熔化,內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓,把封口處焊錫吸入內(nèi)部,造成腔內(nèi)有金屬多余物而出現(xiàn)短路。

2.7 引線斷裂開(kāi)路

氣密封非封固體鉭電容器引線斷裂開(kāi)路和全密封固體鉭電容器的失效模式、失效機(jī)理一樣。在安裝時(shí) （特別是對(duì)于大殼號(hào)產(chǎn)品而言）,如果安裝方式不正確或者安裝時(shí)引線彎折處受到損傷,在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)就可能出現(xiàn)引線斷裂現(xiàn)象,從而導(dǎo)致電容器開(kāi)路。

2.8 漏液

氣密封非固體電解質(zhì)鉭電容器漏液的原因主要有兩種。

a）安裝使用時(shí),絕緣子受到了外部異常應(yīng)力的作用 （如安裝時(shí)彎折鉭管）而受到損傷,絕緣子玻璃粉出現(xiàn)裂紋或鉭管與玻璃粉熔融處產(chǎn)生縫隙,從而導(dǎo)致內(nèi)部電解液泄露。

b）在使用的過(guò)程中,受到了過(guò)應(yīng)力的作用（如過(guò)電壓、超溫使用）,使鉭電容器氧化膜受損,漏電流增大,產(chǎn)品本體的溫度不斷地上升,并且在內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的作用下產(chǎn)生氣體,內(nèi)部氣壓不斷地增大而出現(xiàn)殼體爆裂,電解液泄露。

2.9 銀離子遷移短路

銀外殼氣密封非固體電解質(zhì)鉭電容器不能承受任何反向電壓。在反向電壓的作用下,銀外殼的銀離子會(huì)在電場(chǎng)的作用下遷移到陽(yáng)極鉭塊上,造成電介質(zhì)氧化膜缺陷部位出現(xiàn)局部短路。

3 鉭電解電容器可靠性改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)鉭電解電容器的失效原因進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)個(gè)別鉭電解電容器氧化膜脆弱、外界應(yīng)力作用和使用不當(dāng)是導(dǎo)致鉭電解電容器失效的主要原因。針對(duì)失效原因,可以從以下3個(gè)方面提高型號(hào)設(shè)備用鉭電解電容器的可靠性。

3.1 鉭電解電容器的生產(chǎn)制造

鉭電解電容器的性能和可靠性主要由介質(zhì)決定,制造廠家都在不斷地尋找新技術(shù)、新材料和新工藝來(lái)提高Ta2O5介質(zhì)氧化膜的質(zhì)量。工作介質(zhì)是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)在鉭金屬表面形成的一層無(wú)定形態(tài)Ta2O5膜,在實(shí)際生產(chǎn)中,每只鉭電解電容器的介質(zhì)層都存在不同程度的缺陷,介質(zhì)層的缺陷造成了產(chǎn)品的漏電流,漏電流越大,介質(zhì)膜缺陷也就越大。從目前的研究可知:鉭粉純度、氧化膜厚度、密封材料和MnO2平坦度是導(dǎo)致介質(zhì)膜缺陷的主要原因,因此,在生產(chǎn)工藝過(guò)程中需對(duì)這些關(guān)鍵工藝/工序進(jìn)行嚴(yán)格的管控。

3.2 鉭電解電容器的補(bǔ)充篩選和破壞性物理分析

型號(hào)設(shè)備使用的鉭電解電容器基本都是依據(jù)相應(yīng)的國(guó)軍標(biāo)GJB 63B-2001《有可靠性指標(biāo)的固體電解質(zhì)鉭電解電容器總規(guī)范》、GJB 733A-96《有可靠性指標(biāo)的非固體電解質(zhì)鉭電解電容器總規(guī)范》和GJB 2283-95《有可靠性指標(biāo)的片式固體電解質(zhì)鉭電解電容器總規(guī)范》進(jìn)行生產(chǎn)制造的,質(zhì)量等級(jí)為國(guó)軍標(biāo)。由于我國(guó)的鉭電解電容器國(guó)軍標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)較舊,基本上都是在20世紀(jì)90年代制定的 （最新的為2001年版本）,對(duì)影響鉭電解電容器可靠性的關(guān)鍵因素——浪涌電流測(cè)試一直未強(qiáng)制要求執(zhí)行,因此在補(bǔ)充篩選時(shí)都要100%進(jìn)行浪涌電流測(cè)試。

由于鉭電解電容器是核心關(guān)鍵器件,因此必須要按照GJB 4027要求進(jìn)行鉭電解電容器的破壞性物理分析試驗(yàn),并增加耐焊接熱試驗(yàn) （焊接時(shí)的熱脹冷縮效應(yīng)是導(dǎo)致鉭電解電容器氧化膜缺陷的主要原因之一）。

3.3 鉭電容的設(shè)計(jì)和使用

在電路設(shè)計(jì)時(shí),鉭電容一般應(yīng)對(duì)電壓進(jìn)行一級(jí)降額 （降額系數(shù)在50%以上）。鉭電解電容器用于濾波回路時(shí)電壓降額應(yīng)在2/3以上[3],同時(shí)應(yīng)充分地考慮LC電路的阻尼特性,降低開(kāi)機(jī)振蕩的影響（歐洲航空局禁止固體鉭電解電容器用于DC/DC輸入濾波）。在電路設(shè)計(jì)時(shí)不僅要進(jìn)行充分的降額設(shè)計(jì),還需要進(jìn)行必要的冗余設(shè)計(jì):在可靠性要求較高的部位,電容器應(yīng)串并聯(lián)使用。通過(guò)在電路中并接儲(chǔ)能電容,抑制高頻電壓分量；并采用串接低阻抗功率電阻等措施來(lái)降低流經(jīng)鉭電解電容器的浪涌電流。

鉭電解電容器介質(zhì)氧化膜具有單向?qū)щ娦院驼魈匦?當(dāng)施加反向電壓時(shí),就會(huì)有較大的電流通過(guò),往往會(huì)造成質(zhì)量隱患,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐呻娙萜鞣聪驌舸┦?。因?在使用中應(yīng)嚴(yán)格地控制反向電壓。在單板、組合等階段加電時(shí)均采用軟啟動(dòng)方式[4],提供更平穩(wěn)的電壓斜率。在滿(mǎn)足性能要求的前提下,盡可能地選擇體積較大的產(chǎn)品。

由于鉭電解電容器的組成材料主要有鉭芯、氧化膜 （Ta2O5）、MnO2（陰極）、 石墨、 銀漿、 引線框架和模壓料等,這些材料中有金屬、半導(dǎo)體和絕緣體,其熱膨脹系數(shù)不同,在溫度變化的作用下,熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的收縮效應(yīng)會(huì)使氧化膜缺陷部位受到機(jī)械應(yīng)力的作用而擴(kuò)大、破裂,導(dǎo)致其絕緣強(qiáng)度降低,最終在電場(chǎng)的作用下?lián)舸?因此,在對(duì)鉭電解電容器進(jìn)行焊接時(shí),應(yīng)盡量地降低焊接溫度,縮短焊接時(shí)間。由于鉭電解電容器受溫度影響較大,因此,在電路板布局時(shí)應(yīng)該遠(yuǎn)離發(fā)熱器件,保持通風(fēng)良好,確保鉭電解電容器的殼溫控制在50℃以下[5]。

鉭電解電容器在運(yùn)輸、安裝等過(guò)程中應(yīng)避免受到過(guò)大的應(yīng)力,以免產(chǎn)品主體或其引線端子的電鍍層剝落受傷；安裝過(guò)的產(chǎn)品不能再次使用；在測(cè)量、使用過(guò)程中應(yīng)避免手指直接接觸產(chǎn)品,防止汗?jié)n等污染物引起產(chǎn)品的可焊性降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著鉭電解電容器在型號(hào)設(shè)備中的廣泛使用,其可靠性受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。通過(guò)在生產(chǎn)制造、補(bǔ)充篩選、設(shè)計(jì)和使用等方面采取相應(yīng)的措施,型號(hào)設(shè)備用鉭電解電容器的可靠性將會(huì)得到大幅的提高。

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