鉭電解電容器失效模式與機理分析

范士海

（航天科工防御技術(shù)研究試驗中心，北京 100854）

引言

鉭電解電容器具有高功率密度、高頻低損耗（低等效串聯(lián)電阻）、耐浪涌能力強、損耗小、漏電流小和壽命長等特點，隨著技術(shù)的不斷進步，小型化、高容量和阻燃型成為其新的發(fā)展方向。在航天、航空、汽車、計算機、工業(yè)控制和通信儀表中越來越多被應(yīng)用，尤其是在國防通信和航天、航空等領(lǐng)域，更起著不可或缺的作用。鉭電解電容器在整機線路中主要起到濾波、耦合、去耦、延時及儲能等作用。在航天、航空領(lǐng)域，高頻、大功率電源模塊及高密度小體積電源電路和專用電源（DC/DC、AC/DC）中應(yīng)用廣泛。雖然鉭電容器具有“自愈”特性，而且與同屬電解電容的鋁電解電容器相比，穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性更占有優(yōu)勢，但受自身材料特性及應(yīng)用環(huán)境等因素影響，在實際應(yīng)用中，鉭電解電容器失效率還是相對較高的。

歸納鉭電解電容器的失效過程，主要有三種形式：突發(fā)式、漸變式和時好時壞式。突發(fā)式是指電容器突然擊穿短路甚至燒毀，從而造成鉭電解電容器致命性的功能失效。漸變式失效是指電容器性能參數(shù)隨時間變量逐漸惡化直至超差失效，如漏電流增加，損耗增大。還有一種方式為電容器的性能不穩(wěn)定，時好時壞，如電容器的開路失效不穩(wěn)定等。

下文中將介紹一些典型的失效案例，通過案例的介紹，剖析引起各種失效模式的失效機理，為進一步提高鉭電解電容器使用可靠性提供有益的依據(jù)。

1 鉭電解電容器自身缺陷導致失效

鉭電解電容器自身缺陷導致失效包括鉭芯Ta2O5氧化膜局部瑕疵痞斑，引發(fā)電容器漏電流增加、阻性擊穿、短路甚至爆裂；內(nèi)部多余物引起短路；全密封液體鉭電解電容器漏液引起電容器失效；電容器內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)缺陷引起開路失效等。下面通過具體案例詳細闡述。

1.1 Ta2O5氧化膜局部瑕疵引發(fā)失效

Ta2O5氧化膜即為鉭電解電容器的介質(zhì)膜，氧化膜的質(zhì)量對鉭電解電容器的質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用；由于氧化膜的瑕疵缺陷引發(fā)的鉭電解電容器失效，也占了鉭電解電容器失效的大部分比例。Ta2O5氧化膜局部瑕疵缺陷，可以引發(fā)電容器漏電流增加、阻性擊穿、短路甚至爆裂。

1）氧化膜瑕疵缺陷引發(fā)電容器短路

某整機所用的CAK45型片式固體電解質(zhì)鉭電容器發(fā)生短路失效，常溫下對電容器進行電性能測試，測試結(jié)果如表1所示，測試結(jié)果表明電容器已經(jīng)短路。

對電容器外觀進行檢查，未見明顯異常。對電容器進行X射線檢查，未見明顯異常。去掉電容器外包封材料，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有兩個并聯(lián)鉭塊。其中一鉭塊局部存在瑕疵痞斑；同時該區(qū)域有明顯的擊穿燒毀現(xiàn)象（如圖1所示），另外一個鉭塊未發(fā)現(xiàn)存在明顯的異?，F(xiàn)象。

基于上述對失效電容器測試與解剖觀察，分析得出電容器失效原因為：由于電容器介質(zhì)局部存在瑕疵痞斑缺陷，另一方面，在后續(xù)加電試驗時，受到電應(yīng)力的作用，電容器介質(zhì)在局部缺陷處發(fā)生擊穿損傷，導致電容器發(fā)生短路失效。

若氧化膜介質(zhì)中存在大面積集中的缺陷部位，一旦在電應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下發(fā)生瞬時擊穿，瞬間就會產(chǎn)生很大的短路電流，引發(fā)電容器瞬時過熱而燒毀甚至爆裂（如圖2所示）。

2）氧化膜瑕疵缺陷引發(fā)漏電流增大

某整機所用的片式固體電解質(zhì)鉭電容器，質(zhì)量等級為“軍篩”級。整機產(chǎn)品出現(xiàn)通信無法正常發(fā)送故障，懷疑與其有關(guān)的鉭電容漏電流過大失效。

表1 常溫下電容器的電性能測試結(jié)果

圖1 電容器內(nèi)部鉭塊形貌

在25 ℃、60 ℃、85 ℃、125 ℃環(huán)境下，對失效電容器進行電性能測試，測試結(jié)果如表2所示，失效電容器漏電流超差。對電容器外觀進行檢查，未見明顯異常。

對電容器進行X射線檢查，未見明顯異常。用化學方法去掉包封層，在體視鏡下觀察露出的內(nèi)部鉭塊，發(fā)現(xiàn)電容器內(nèi)部鉭塊局部存在明顯的擊穿燒毀現(xiàn)象，擊穿燒毀區(qū)域存在痞斑疵點（如圖3所示）。根據(jù)以上對失效電容器測試、觀察與分析，得出電容器失效原因是：電容器介質(zhì)局部存在痞斑疵點；裝機使用后，在電應(yīng)力累積作用下，電容器介質(zhì)在局部疵點處發(fā)生擊穿損傷，使電容器漏電流增大。

鉭電解電容氧化膜局部瑕疵痞斑引發(fā)失效的機理是：由于原材料不純或工藝中的原因，將導致鉭電解電容器Ta2O5介質(zhì)膜產(chǎn)生雜質(zhì)、裂紋、孔洞等缺陷，雖然經(jīng)過高溫燒結(jié)可以燒毀或蒸發(fā)掉大部分鉭塊中產(chǎn)生上述缺陷的疵點，但不能保證百分百去除，殘留的少量缺陷在后續(xù)的賦能、老煉等過程中，在電壓、溫度的作用下轉(zhuǎn)化為晶核，成為場致晶化的源頭；在檢測或加電使用時，隨著時間的推移，在各種環(huán)境應(yīng)力綜合作用下，至使介質(zhì)膜快速發(fā)生化學、物理變化，引起應(yīng)力的累積，直至造成介質(zhì)膜局部的過熱擊穿，引起漏電流增加，損耗增大[1]。

對局部存在瑕疵缺陷的鉭電解電容器可以通過合理老化措施有效地予以剔除[2]，由于存在瑕疵缺陷的鉭電解電容器漏電流偏大，為了避免有瑕疵缺陷鉭電解電容器裝機使用，可以采取加嚴控制裝機電容器漏電流的措施。

1.2 內(nèi)部多余物引起短路

此種失效一般發(fā)生在固體電解質(zhì)鉭電容器內(nèi)部，由于此種鉭電解電容器內(nèi)部陽極鉭絲周圍存在腔體，而腔體圓周側(cè)面就是電容器的陰極外殼，如果電容器的裝配工藝控制不好，內(nèi)部殘留多余物，則有可能搭接在陽極鉭絲和陰極外殼間，引發(fā)短路失效。

裝有CAK-8型固體電解質(zhì)鉭電容器整機產(chǎn)品在做振動試驗中，與其連接的電阻器出現(xiàn)短路熔斷，對該電容器進行測量，發(fā)現(xiàn)電容器短路。

用體視顯微鏡對鉭電容器進行外觀觀察，電容器搪錫焊接位置及其它部位均未見明顯異常。用數(shù)字萬用表對失效鉭電容器進行測試，測試結(jié)果：電容器兩電極間短路。

對鉭電容器進行兩個不同方向X射線檢查，電容器內(nèi)部正負極之間存在金屬多余物，如圖4所示。

采用機械方法將鉭電容器外包封金屬殼去掉，置于顯微鏡下觀察，電容器內(nèi)部有長條狀金屬多余物，多余物由兩部分組成，一部分多余物在內(nèi)部封裝部位，與正極相連，另一部分多余物與電容器負極相連。多余物呈熔融狀，有金屬光澤。形貌如圖5所示。

表2 不同溫度下，失效電容器電性能測試結(jié)果

圖3 失效電容器內(nèi)部鉭塊形貌

圖4 電容器X射線檢查形貌

用掃描電鏡對多余物進行形貌觀察和成分分析，形貌如圖6所示。多余物主要成分為Sn、Pb元素，同時含有Si元素。

所以電容器內(nèi)部在正負極之間存在多余物，導致電容器短路。多余物來源有兩個方面：一是電容器封口部位焊錫熔融，二是固定電容本體的焊錫熔融，從本體底部流到頂部。加強鉭電容器裝配工藝控制，可以有效地避免此類失效的發(fā)生；另外，裝機前對電容器進行X射線檢查，可以有效地剔除內(nèi)部存在多余物的電容器。

圖5 多余物形貌

圖6 多余物電鏡形貌

1.3 內(nèi)部電極連接缺陷導致開路失效

1）電容器陰極開路

裝有CAK45A型固體電解質(zhì)鉭電容器整機產(chǎn)品進行試驗時，發(fā)現(xiàn)1只該型號電容器開路失效。在體視鏡下觀察失效電容器，電容器外觀未見明顯異常。對失效電容器進行測試，結(jié)果為電容器兩極間開路。

對電容器進行X射線檢查，發(fā)現(xiàn)電容器內(nèi)部陰極引出片與鉭塊之間銀漿粘接點已完全脫開（如圖7所示）。

將電容器沿縱向方向進行剖面解剖，發(fā)現(xiàn)陰極引出片與鉭塊之間無任何有效連接。電容器內(nèi)部無燒融打火痕跡。陽極引出片與陽極鉭絲焊接點未見明顯異常（如圖8、9所示）。

所以電容器失效的原因是：電容器內(nèi)部陰極引出片與鉭塊之間粘接不良導致電容器陰極開路，造成電容器開路失效。

2）電容器陽極開路

裝有CAK45型固體電解質(zhì)鉭電容器整機產(chǎn)品進行試驗時，發(fā)現(xiàn)1只該型號電容器開路。用體視顯微鏡檢查電容器外觀，可見電容器陰極端電極明顯翹起，其它未見明顯異常（如圖10所示）。對電容器進行常溫電性能測試，結(jié)果為開路。對電容器進行X射線檢查，未見明顯異常（如圖11所示）。

圖7 電容器X射線形貌

圖8 電容器制樣鏡檢形貌

圖9 電容器陰極連接點放大形貌

對電容器進行金相制樣后，置于顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)：電容器陽極鉭絲與陽極端電極間搭接焊點脫開，該區(qū)域存在明顯空隙（如圖12所示）。用數(shù)字萬用表測試電容器內(nèi)電極與外電極的連接特性，發(fā)現(xiàn)陽極鉭絲與陽極外端電極開路；而陰極外端電極與內(nèi)部銀電極短路。表明電容器內(nèi)部陽極鉭絲與陽極外端電極在焊接部位脫開，是導致電容器開路的唯一原因。

所以電容器失效是由于電容器內(nèi)部陽極鉭絲與陽極外端電極在焊接部位脫開，導致電容器陽極開路引發(fā)的。

以上兩個案例電容器開路失效均是由于電極系統(tǒng)失效引起的。究其原因，都與電容器生產(chǎn)工藝控制不良有關(guān)。

2 鉭電容器使用不當造成電容器失效

鉭電容器使用不當造成電容器失效包括：電容器受到反向電動勢作用引起電容器失效，以及高溫應(yīng)用降額不夠?qū)е聯(lián)舸┦У取?/p>

2.1 反向電動勢作用造成電容器失效

鉭電解電容器端電極有正、負之分，在電路中使用時千萬不能接反，否則即使當時電容器未失效，電容器介質(zhì)膜已經(jīng)受到損傷，以后加電使用時很容易出現(xiàn)失效。

CAK35H型非固體電解質(zhì)鉭電容器是某整機所用元件，質(zhì)量等級為“A1”級。在整機單位出現(xiàn)1只該型號電容器失效。

在體視顯微鏡檢查失效電容器外觀，發(fā)現(xiàn)電容器外殼爆開，內(nèi)部鉭塊、塞柱等結(jié)構(gòu)從管殼完全脫離。大部分套在電容器外殼上的絕緣套管融化，其外部形貌如圖13所示。

圖10 電容器外部形貌

圖11 電容器X射線檢查圖像

圖12 電容器內(nèi)部陽極金相形貌

圖13 電容器外部形貌

圖14 電容器內(nèi)部鉭塊形貌

在體視鏡下觀察失效電容器內(nèi)部鉭塊，鉭塊外表面局部介質(zhì)層有明顯色斑（如圖14所示），系介質(zhì)層受過電應(yīng)力作用在此處有輕微擊穿所致。電容器在工作時此處存在漏電流，在使用過程中漏流逐漸增大并發(fā)熱，導致電容器內(nèi)部電解質(zhì)液體受熱汽化膨脹致爆開。

據(jù)委托方介紹，該電容器在電路中為27 V直流電機兩端所加補償電容。因為直流電機相當于一個感性負載，電機啟動或關(guān)閉時電容器兩端電極會被施加一反向電動勢，而該非固體電解質(zhì)鉭電容器為有極性電容，不能承受反向電壓。受反向電動勢作用導致電容器內(nèi)部介質(zhì)層有輕微擊穿，造成電容器漏電流增大并發(fā)熱。據(jù)委托方介紹：該電容器失效前已經(jīng)過約5 h的累計加電工作，期間電容器承受多次正反向電動勢沖擊，導致電容器漏電流不斷增加，內(nèi)部過熱，造成內(nèi)部電解質(zhì)液體受熱汽化迅速膨脹，導致電容器外殼爆開失效。建議將其更換為耐壓100 V以上，容值為10 μF以上的無極性電容器。

2.2 高溫應(yīng)用降額不夠?qū)е聯(lián)舸?/h3>

在高電場或高溫的作用下，鉭電解電容器的失效的機理為：鉭氧化膜表面缺陷、疵點等處出現(xiàn)場致晶化或熱致晶化。過高的溫度在缺陷或雜質(zhì)處使無定型膜形成成核中心，并進一步使介質(zhì)膜晶化，在鉭芯的表面發(fā)展成各種形狀的晶化區(qū)域[3]。

CAK45型鉭電容器用于某單位整機上。該型號一只電容器在隨整機進行調(diào)試時出現(xiàn)了短路現(xiàn)象。對失效電容器進行外觀檢查，未見明顯異常。用數(shù)字萬用表對失效電容進行阻抗測試，發(fā)現(xiàn)電容器阻抗值在7.6 Ω左右，呈電阻特性，證實電容器已發(fā)生短路。用微焦點X射線檢測儀對失效電容器進行結(jié)構(gòu)檢查，電容器內(nèi)部電極連接未見明顯結(jié)構(gòu)異常；內(nèi)部鉭塊表面存在一異常突起（如圖15所示）。

用化學方法去除電容器表面包封材料，并對暴露出的鉭塊進行觀察：鉭塊一角存在明顯的短路燒蝕痕跡，側(cè)面觀察呈現(xiàn)熔融突起狀，與X射線檢查到的異常突起對應(yīng)一致；燒蝕區(qū)域附近存在鉭塊裂紋，應(yīng)為發(fā)生短路時的溫度應(yīng)力所致。內(nèi)部檢查形貌如圖16所示。

據(jù)委托方介紹，失效電容器在高溫環(huán)境下（100 ℃左右）應(yīng)用，0.6降額。結(jié)合委托方對使用背景的描述，綜合分析得出：電容器失效是由于在高溫環(huán)境及電應(yīng)力作用下其內(nèi)部介質(zhì)擊穿短路、燒毀所造成。

鉭電容器的額定溫度為85 ℃，類別溫度為125 ℃，在電路設(shè)計中，一般都采用了降額設(shè)計，當環(huán)境溫度不大于85 ℃時，降額的基準為額定電壓，當環(huán)境溫度大于85 ℃時，降額的基準為類別電壓，類別電壓約為額定電壓的0.65倍。

圖15 電容器X射線檢查圖像

圖16 電容器內(nèi)部鉭塊形貌

3 結(jié)束語

短路、開路以及參數(shù)超差是鉭電解電容器常見三種失效模式包括。造成電容器短路失效的機理包括Ta2O5介質(zhì)膜擊穿及多余物搭接內(nèi)電極等，介質(zhì)膜擊穿的原因可能是介質(zhì)膜本身存在缺陷，也可能是由于使用不當造成的。電容器開路失效，則是由電容器內(nèi)部電極開路引起的，內(nèi)部電極開路主要與電容器封裝工藝不良有關(guān)。電容器漏電流或損耗角參數(shù)超差，則主要與內(nèi)部鉭塊介質(zhì)膜本身存在缺陷有關(guān)。