固体钽电容的可靠性筛选研究

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摘要：电子元件的可靠性筛选指的是在不破坏产品属性下进行的筛选试验，随着人们对电子元件越来越高的质量要求，电子元件筛选工作也越来越引起人们的重视，固体钽电容作为固体电容的一种，其优越性十分显著，因此被广泛应用于军事通讯、航天领域等，然而固体钽电容因为其特殊构造，使用中经常会出现故障等问题，所以对固体钽电容的可靠性筛选十分重要。

关键字：固体钽电容；可靠性；失效；筛选

中图分类号：TN6文献标识码： A

一、概述

固体钽电容是1956年由美国贝尔实验室首先研制成功的，它的性能优异，是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品。钽电容器外形多种多样，并制成适于表面贴装的小型和片型元件。钽电容器不仅在军事通讯，航天等领域应用，而且钽电容的应用范围还在向工业控制、影视设备、通讯仪表等产品中大量扩展。

随着科学技术的不断发展与进步，电子产品已经成为人们生活的一类必需品，而电子系统的可靠性也在不断的提升，因此，人们对电子元件的质量标准提出了更高的要求，特别是军事通讯、航天信息、船用设备、军工领域等领域，电子元件的可靠性是必须要考虑的重点内容。为了提升电元件的使用质量，必须要对其进行相关筛选，可靠性筛选是一种比较有效的筛选方式，它是一种非破坏性筛选试验，在不伤害电子元件本身的情况下准确的判断出电子元件是否能有效使用。近年来，为了提升装机使用的电子元件的质量和性能，可靠性筛选已经成为电子元件使用之前必须进行的项目，特别是固体钽电容，由于其特殊的构造和特性，在其工作中经常会出现一些特殊的工作现象。由于固体钽电容本身的材料及生产工艺的影响，通常情况下，如果周围环境温度处在正常标准时，即使受到一定的高电流或者高电压等破坏性因素的强烈冲击，也不会对其本身造成损害，具有故障自我恢复的功能，并且固体钽电容的电容值、漏电流、失效和滤波等特性都不会有太大的变化。但是，如果在高温环境下工作时，受到工作电流特别是浪涌电流的冲击时，可能会改变它的漏电流值和电容值，加大了固体钽电容的失效概率，不过就算如此，一旦周围环境恢复到常温状态，它的电容值和漏电流也会相应的恢复到正常数值。在实际应用中，未经过可靠性筛选的钽电容一旦装机后出现此类问题，必然会影响设备的正常使用，降低了设备的可靠性。

二、固体钽电容的特点及可靠性筛选的必要性

1、固体钽电容的特点

固体钽电容也属于电解电容的一种，使用金属钽做介质，不像普通电解电容那样使用电解液，钽电容不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸绕制，本身几乎没有电感。此外，由于钽电容内部没有电解液，很适合在高温下工作。这种独特自愈性能，确保了固体钽电容的可靠性和长久的使用寿命。固体钽电容形式多种多样，工作范围宽，体积效率十分优异，并且具有优良的电性能和自己独有的特征性能：固体钽电容的工作介质是钽表面一层非常薄的五氧化二钽介质氧化膜。这层介质和固体钽电容一端的极组合成一个整体，不可以单个存在；固体钽电容容量较小、价格也比铝电容贵，而且耐电压及电流能力较弱。它被应用于大容量滤波的地方，像CPU插槽附近就看到钽电容的身影，多同陶瓷电容、电解电容配合使用或是应用于电压、电流不大的地方。

固体钽电容具有非常高的工作电场强度，并较任何类型电容器都大，以此保证它的小型化；固体钽电容器可以在较小的体积上获得较大的电容量，在交流路、电源滤波等用途上是其它电容器不能比拟的；固体钽电容具有“极性”，也就是单向导电性，使用的时候要按照电源的正负方向接入电流，准确识别“+”极和“-”极，如果接反则会造成很大的漏电流，在较短的时间内会使芯子发热，使氧化膜失效，使电容器发挥不了作用；固体钽电容器工作电压有一定的上限平值，但这方面的缺点对配合晶体管或集成电路电源，是不重要的，并且它还具有储藏电量、进行充放电等性能。

2、固体钽电容可靠性筛选的必要性

因为固体钽电容在实际运用中存在很多失效模式，一点装机使用就会严重影响机器设备的可靠性，因此，必须对其进行筛选，而固体钽电容的失效模式主要表现在以下几个方面：（1）机械应力集中区域的钽电容较容易失效；（2）电路加电瞬间，钽电容失效较多；（3）容值较大的钽电容比容值较小的钽电容更容易失效；（4）电源质量差的电路中，钽电容更容易出现失效；（5）电路老化过程中较容易出现失效；（6）热相对集中区域的钽电容更容易失效。虽然固体钽电容因其具有阻抗低、耐高温、漏电流极小、贮存性良好、高频特性好、寿命长等特点而广泛应用于电源滤波、耦合与退耦、旁路、反馈振荡等电路中，并且固体钽电容具有独特的“自愈”特性，表现出比铝电解电容更好的稳定性和环境适应性，但在实际使用中仍属于高失效电子元件。因此，对固体钽电容进行可靠性筛选是十分必要的一项工作，只有经过可靠性筛选，确保没有任何故障和问题之后才能投入电子设备中进行安装使用。

三、固体钽电容可靠性筛选应注意的问题

在对固体钽电容进行可靠性筛选时应该深入分析钽电容失效的各种问题，具体表现如下：

1、温度造成的钽电容失效

由于固体钽电容的五氧化二钽介质氧化膜是一种单向导电性的氧化膜，一旦有充放大电流通过五氧化二钽介质氧化膜的时候，就可能会引起失效。五氧化二钽介质氧化膜厚度只有A级，如果没有充放大电流，那么介质氧化膜会一直保持在稳定状态，离子排列呈现无定形结构，即离子排布没有任何排列规则和顺序，并且呈现出五彩无干涉色。如果有大电流通过五氧化二钽介质氧化膜，则会使其温度升高，离子排列开始从无序走向有序，从无定形结构慢慢转化为定形结构，这种情况被称之为“晶化”，这时候，色彩表现也从五彩干涉色变成没有任何光泽的黯淡色。五氧化二钽介质氧化一旦出现“晶化”现象，就会导致整个元件性能发生故障并且持续恶化，直到击穿失效。因此，在实际应用中为了阻止“热致失效”通常采取增加降额和运用“缓启动”电路来提高固钽电容的可靠性。

2、漏电流失效

固体钽电容的性能还会受到生产工艺的影响，特别是一些至关重要的生产工序，一旦出现问题会直接影响固体钽电容器的漏电流，造成失效，容易造成失效的工序有以下几方面：（1）阳极制造工序：为了达到钽粉提纯的目的，对钽粉进行高温真空烧结，真空烧结的温度要保持在1500℃到2050℃之间，这样才能够完全去除杂质，实现提纯。然而这一工序中，常会出现提纯不佳等现象，如果提纯不佳，势必会将一些杂志残留在钽阳极芯子中，成为介质膜中的“晶核”，带来漏电流等问题；（2）赋能工序：赋能工序是将钽阳极放在电解液中，施加直流电压，电解液中的氧离子和钽阳极中的钽形成五氧化二钽膜层。这一工序的施工过程中，要仔细注意电解液的配方及电压、升压电流密度、温度、恒压时间，要按照工艺设计要求和标准进行操作，其中任何一个环节出现问题，都会造成固体钽电容失效。赋能结束后，需要对赋能效果进行检验，特别是漏电流和电容量，必须符合工艺要求的标准。在赋能工艺过程中，如果某一环操作不到位，则容易产生“晶化”现象，所以，赋能工艺要求制造完整的介质膜层，又不能出现“晶化”现象；（3）被膜工序：被膜工序是制造电容器阴极二氧化锰的关键工序，也是影响漏电流的重要工序。现今主要采用的被膜工艺技术是“水汽被膜工艺”，可以提升二氧化锰层的质量，因为其电阻值比较小，所以电容器损耗数值也很小，如果在这道工序中工艺技术控制不到位，或者赋能不到位，则很容易引发漏电流，造成电子元件失效。

3、固体钽电容损耗角正切失效

3.1 固体钽电容的构成及其等效电路

固体钽电容由二氧化锰层、石墨层、合金引出层及圆柱形钽芯阳极组成。钽芯在电解液内加正电位赋能可获得一层均匀的无定形五氧化二钽介质氧化膜。假设五氧化二钽氧化膜层介质的损耗为Rf，二氧化锰被膜层的电阻为R1，石墨和合金引线的电阻为R2，并设R0=R1+R2为二氧化锰和其他的阻抗损耗，所以实际上烧结固钽电容的等效电路分三部分组成。其中Rf=tgδf/ωc，R0=tgδ0f/ωc。他们的损耗值随频率特性而异，可以用频率测定法测定。其总的介质损耗角正切值可用下式表示:tgδ0=tgδf+tgδ0。

3.2 损耗角正切失效分析

在振动试验中发现损耗值比较大，而且电容的tgδ发生变化；实际电路测试和复测发现调零不稳，而且输出有高频成分等等形式。就电解电容来说，其主要损耗多是由工作电解质电阻所引起的。虽然在实际情况中，损耗数值的大小还跟湿度、赋能电压、使用频率、钽心体积等因素有关，但是对于同一批次的产品来说，由于采用的工艺基本一致，所以损耗值也基本上是恒定的。因此，在特定环境下使用的固体钽电容必须要考虑使用振动试验的方式来消除隐患。固体钽电容的正切值和阻抗主要取决与二氧化锰和石墨之间界面区域的接触状态；以及二氧化锰和五氧化二钽的接触情况。二氧化锰和五氧化二钽的接触不牢，以致产品在振动时tgδ变化不稳。当然元件装壳过程中焊料焙化不完全，与壳体形成机械接触，在长期贮存过程中，会因为接触部分氧化脱开而增大等效串联电阻。

四、固体钽电容筛选的方案和过程

1、固体钽电容筛选试验方案

固体钽电容筛选需要按照GJB3606A-96《电子及电器元件试验方法》进行，由于实际应用中，不论是在军事通讯、航天通信还是军工行业中，对固体钽电容的可靠性要求都比较高，所以我们通常会选择它的额定工作压进行相应实验，将额定的工作温度设定为85℃的应力条件，并且对其进行震动和敲击试验。按照前提性试验在前，非前提性试验在后的原则，选择先后试验顺序为85℃高温48小时贮存；85℃动态老化。

2、固体钽电容的筛选过程

2.1 高温贮存试验

根据电容器的额定温度和试验方法，在周围环境85℃的条件下，对其进行连续48小时的高温贮存试验，试验所依据的原理是：在高温贮存过程中，随着贮存环境温度的持续升高和长久的高温高热，会使存在缺陷和故障的固体钽电容器内部发生化学反应的速度加快，并且电容化学反应造成固体钽电容的可靠性也随之降低，从而使存在缺点的固体钽电容暴露出来，达到筛选的目的。

2.2 高温动态老化试验

高温动态老化筛选又叫做电老化，主要操作方法是在85℃的高温试验箱中加额定电压，并且贮存48小时进行电应力老化，在此过程中，需要定时对漏电流进行测试。通过高温老化试验可以将漏电流提前失效或者超值失效的固体钽电容进行剔除，达到筛选的目的。

2.3 震动试验

震动试验通常针对一些运用在水运或者水上军事、航空通讯等方面的固体钽电容，依据GJB150-86水面舰艇和潜艇的主体振动频率为1～60Hz、振幅1mm。所以，要在前两种筛选试验之下对固体钽电容进行带电振动试验。

3、筛选结果处理

在对固体钽电容进行试验筛选之后，根据结果表现，剔除失效或者存在各种故障的钽电容，对于运用在高端行业，如航天军事行业的钽电容筛选结果需要更高一级的质量控制，必须要确保万无一失，在故障和漏电流方面都需要更加严密的注意。筛选完成，对筛选结果进行详细记录，根据钽电容品质进行分类贮存，贮存时需要按照固体钽电容贮存标准，进行安全保管。

五、对固体钽电容筛选工作的质量控制

1、提升实验人员的工艺水平

在固体钽电容筛选过程中，施工工序和施工方案都十分重要，实验人员首先必须具备相应的专业素养，明确实验操作的每一个步骤，按照步骤操作，绝对不能想当然的试验操作，这样势必会影响实验结果。因此，生产单位必须加强对试验人员专业素质的培养，定期进行培训，提高其施工工艺水平和试验操作水平，以此确保筛选工作的质量。

2、强化实验人员的安全意识

对固体钽电容进行可靠性筛选试验时，通常会涉及到高温高压等操作，因此，在实验过程中，安全防范意识十分重要，并且需要配备相应的绝缘设备，这就需要生产单位加强对安全工作的管理控制，对实验人员进行安全知识灌输，树立其安全意识，并且要投资足够的安全实验设备，确保工作人员的生命安全，这是确保筛选工作有效实施的前提。

结束语

对固体钽电容的可靠性筛选涉及到方方面面的内容，不仅需要了解固体钽电容的自身特性以及优缺点，还需要了解影响钽电容品质的各种原因，这是可靠性筛选的基础，只有面面俱到，具备全面专业的知识和素养，并且树立安全和质量观念，才能更好的完成筛选工作，提升产品的质量和企业效益。

参考文献：

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