钽電容溫濕度失效模式ESR值,内部結構和(hé)主要加工工藝

钽電解電容能夠快(kuài)速替代傳統的(de)電解電容, 不僅因爲它具有較好的(de)電性能, 還(hái)因爲其工藝特點決定了(le)它封裝體積較小, 易于小型化(huà)和(hé)批量生産, 能夠滿足目前電子産品的(de)自動化(huà)發展, 因此得(de)到普遍的(de)應用(yòng)。但钽電容受結構問題影(yǐng)響, 容易在大(dà)電流下(xià)失效;同時(shí), 當選型钽電容爲臨界規格時(shí), 長(cháng)期可(kě)靠性相對(duì)較低, 比較容易失效, 這(zhè)些問題在我們生産使用(yòng)中都用(yòng)重點關注。

本文通(tōng)過對(duì)钽電容的(de)結構、生産工藝和(hé)主要性能參數特點入手, 分(fēn)析了(le)钽電容常見的(de)失效模式, 并重點模拟長(cháng)期使用(yòng)過程中, 由于外界環境條件的(de)變化(huà), 造成钽電容ESR值變化(huà)的(de)問題。這(zhè)個(gè)過程可(kě)能持續幾個(gè)月(yuè)甚至幾年直到其徹底失效才會被發現, 也(yě)正是由于該過程持續時(shí)間長(cháng), 所以目前爲止在國内外對(duì)應這(zhè)方面的(de)研究還(hái)屬于空白。

钽電容是通(tōng)過将钽粉壓制而成, 經高(gāo)溫燒結成型, 芯片的(de)陽極經過氧化(huà)處理(lǐ)表面生産一層五氧化(huà)二钽氧化(huà)膜, 再覆蓋一層二氧化(huà)錳電解質, 然後在二氧化(huà)錳和(hé)金屬層中間塗上一層石墨作爲過渡, 最後用(yòng)樹脂把其封裝成爲钽電容。下(xià)圖是其内部結構示意圖[1]:

下(xià)面簡單介紹下(xià)钽電容的(de)主要加工工藝[3]:

目前, 市場(chǎng)上大(dà)量使用(yòng)的(de)貼片钽電容, 其陽極一般使用(yòng)钽粉經一定壓力成型, 然後通(tōng)過真空高(gāo)溫固化(huà), 因此钽粉的(de)質量決定了(le)钽電容的(de)質量, 沒有好的(de)原材料無法做(zuò)出高(gāo)質量的(de)元器件, 後續再精密的(de)加工也(yě)無法彌補材料上的(de)缺陷, 所以钽粉直接決定钽電容的(de)可(kě)靠性。一般影(yǐng)響钽粉質量的(de)關鍵因素有的(de)顆粒的(de)大(dà)小和(hé)形狀, 钽粉的(de)配比以及钽粉的(de)純度和(hé)密度。

在钽粉燒結成型前需加入适量的(de)粘合劑, 這(zhè)樣保證钽粉顆粒間不直接接觸, 有效的(de)降低了(le)钽粉顆粒直接的(de)相互摩擦和(hé)損傷, 這(zhè)樣燒結出的(de)钽芯更加緻命, 質量更高(gāo)。在燒結後, 粘合劑受高(gāo)溫影(yǐng)響全部揮發, 這(zhè)樣原來(lái)粘合劑的(de)位置變成了(le)空洞, 有效的(de)提高(gāo)了(le)钽芯的(de)氣孔率。較好的(de)燒結工藝對(duì)钽電容的(de)損耗和(hé)電容量的(de)提高(gāo)都有明(míng)顯的(de)改善。

钽芯表面的(de)五氧化(huà)二钽是通(tōng)過電化(huà)學的(de)方法形成的(de), 在電解液中, 設置合适的(de)電壓和(hé)電流, 使钽芯表面逐漸生産一層緻密的(de)氧化(huà)膜, 該氧化(huà)膜後面電極的(de)制備至關重要, 如果一旦存在空隙, 長(cháng)期工作下(xià)存在可(kě)靠性隐患, 沉積速率的(de)控制顯得(de)至關重要。

在五氧化(huà)二钽表面上制備Mn O2層作爲電解質, 需要對(duì)Mn (NO3) 2進行熱(rè)分(fēn)解, 其中包括水(shuǐ)汽 (濕式) 或空氣 (幹式) 兩種方式, 濕式分(fēn)解Mn O2較緻密度, 相比幹式要優越, 目前廠家工藝均用(yòng)濕式熱(rè)分(fēn)解法。

钽電容的(de)阻抗頻(pín)率特性呈現爲U形, 這(zhè)與其它電解電容一樣, 而且钽電容的(de)ESR值相對(duì)與其它電解電容均較小, 但其ESL不像其它電解電容那樣大(dà), 這(zhè)樣就決定了(le)其區(qū)别于其它電解電容的(de)特點, 下(xià)面從钽電容的(de)管腳電性能指标上分(fēn)析其具有的(de)特性。

相同電容量時(shí), 由于钽電容是固體燒結成型, 所以其體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它電解電容, 但正是由于其工藝特點, 钽電容的(de)電容與電壓乘積不能同時(shí)增大(dà), 相互矛盾, 所以兩者的(de)乘積受限。

此外, 容量與頻(pín)率呈反比, 容量受溫度影(yǐng)響較小, 相對(duì)穩定, 即使在極低溫度下(xià), 波動仍小于10%。所以钽電容在作爲濾波元件使用(yòng)時(shí), 溫度的(de)影(yǐng)響幾乎可(kě)以忽略。

從上面内部結構和(hé)加工工藝流程可(kě)以看出, 钽電容的(de)ESR值主要由介質電阻和(hé)接觸電阻構成, 而接觸電阻又分(fēn)爲兩部分(fēn), 總體來(lái)說可(kě)以把钽電容的(de)ESR看做(zuò)是r_介+r_解+r_金, 但實際上還(hái)存在一種電阻r L是漏電流電阻, 但其再高(gāo)頻(pín)時(shí)幾乎可(kě)以忽略。

在低頻(pín)段, 主要是r_解與r_金的(de)影(yǐng)響, 而在較高(gāo)頻(pín)率區(qū)域主要是r_解的(de)影(yǐng)響。總之, 貼片固體钽電容的(de)ESR值相對(duì)較小, 其範圍在幾十毫歐到10歐姆分(fēn)之間。

ESL主要受封裝結構影(yǐng)響, 包括封裝尺寸和(hé)引線, 所以這(zhè)樣就決定了(le)钽電容具有較小的(de)ESL, 其值一般小于3n H。當然, ESL值相對(duì)比較穩定, 它不會根據濾波頻(pín)率、本身電容量和(hé)環境溫度等條件的(de)變化(huà)而變化(huà)。

目前常見的(de)钽電容有三種失效模式:電壓型、電流型和(hé)發熱(rè)型。

電壓型失效是指使用(yòng)過程中存在不合理(lǐ)工作電壓或浪湧電壓過高(gāo), 引起局部打火, 導緻介質層擊穿;另外五氧化(huà)二钽層不可(kě)能沒有任何缺陷, 如果介質層長(cháng)期工作在高(gāo)電壓條件下(xià), 當氧化(huà)層的(de)缺陷受高(gāo)壓作用(yòng)産生較高(gāo)的(de)電場(chǎng)強度, 并在局部形成高(gāo)溫, 則極易産生晶化(huà)的(de)現象。當然也(yě)不排除氧化(huà)層界面上本身存在雜(zá)質, 這(zhè)樣不需要外部條件就能夠誘發晶化(huà), 随著(zhe)溫度的(de)逐漸升高(gāo), 晶核也(yě)不斷在生長(cháng), 最終導緻氧化(huà)膜破裂形成失效。有實驗數據顯示, 晶體生長(cháng)并最終導緻氧化(huà)膜破裂的(de)時(shí)間與電場(chǎng)強度呈指數函數分(fēn)布, 即随著(zhe)電壓的(de)增加和(hé)環境溫度的(de)升高(gāo), 晶體逐漸的(de)生長(cháng), 生長(cháng)前期可(kě)能對(duì)電容器本身特性沒有任何影(yǐng)響, 一旦晶體穿破氧化(huà)膜, 钽電容将徹底失效, 所以該失效在前期不易被發現, 可(kě)能失效比率較低, 可(kě)随著(zhe)時(shí)間的(de)延長(cháng), 失效率會飛(fēi)速增加并爆發, 後果不堪設想。

電流型失效主要是钽電容出現異常的(de)漏電流, 前文我們已經說明(míng), 钽電容ESR中漏電流電阻可(kě)以忽略, 但如果钽電容氧化(huà)膜上的(de)缺陷逐漸惡化(huà), 引起介質層的(de)漏電流增大(dà)甚至介質短路, 則漏電流電阻将不能被忽視。雖然钽電容有一定的(de)自愈性, 這(zhè)也(yě)是其不同于其它電解電容的(de)特點, 當出現一些缺陷形成擊穿時(shí), 钽電容二氧化(huà)錳層會産生變化(huà), 在高(gāo)溫下(xià)形成新的(de)氧化(huà)物(wù), 阻礙問題的(de)惡化(huà), 但如果處于過電頻(pín)繁的(de)場(chǎng)合, 介質層可(kě)能被瞬間擊穿, 無法自愈。

發熱(rè)型失效一般是由于産品的(de)損耗太大(dà)導緻熱(rè)失衡, 熱(rè)量分(fēn)布不均勻, 局部熱(rè)量較大(dà), 長(cháng)期累積無法散開, 導緻熱(rè)破壞。

除了(le)上述的(de)失效外, 近期發現了(le)钽電容一種緩慢(màn)失效機理(lǐ), 該失效與外界溫濕度直接相關, 最終影(yǐng)響钽電容ESR的(de)變化(huà), 下(xià)面我們同加速試驗來(lái)進行模拟。

根據Arrhenius模型[2][4], 我們通(tōng)過失效時(shí)間來(lái)反應失效速率, 選取兩個(gè)時(shí)間點, 一個(gè)失效時(shí)間設定爲30天, 一個(gè)爲7天, 通(tōng)過加速因子來(lái)計算(suàn)所需要的(de)實驗溫度。

Ea:失效激活能, 設爲常數0.67e V;

K:玻爾茲曼常數, 8.62*10^-5e V/K;

Tnormal:實際使用(yòng)的(de)絕對(duì)溫度, 我們設定爲85℃;

Tstress:實驗的(de)絕對(duì)溫度。

通(tōng)過計算(suàn), 兩個(gè)加速實驗溫度設定爲120℃和(hé)180℃, 同時(shí)爲了(le)證明(míng)單獨的(de)高(gāo)溫不會造成钽電容ESR值的(de)變化(huà), 我們增加了(le)實驗三, 具體實驗見表1:

單獨的(de)高(gāo)溫對(duì)钽電容ESR值的(de)變化(huà)幾乎沒有作用(yòng), 而當加入一定量的(de)濕度後, 钽電容ESR值的(de)變化(huà)速率在兩個(gè)溫度下(xià)截然不同, 120℃條件下(xià)钽電容25天失效, 180℃條件下(xià)钽電容9天失效, 基本和(hé)我們理(lǐ)論計算(suàn)的(de)結果一緻, 而且同一溫度下(xià)變化(huà)速率也(yě)不是固定的(de), 随著(zhe)钽電容ESR值的(de)增大(dà), 變化(huà)速率也(yě)逐漸增大(dà)。

那麽問題來(lái)了(le), 溫度是在具備一定濕度條件下(xià)才對(duì)钽電容ESR值産生影(yǐng)響的(de), 那多(duō)大(dà)的(de)濕度才能達到影(yǐng)響钽電容的(de)程度呢(ne)?濕度對(duì)钽電容ESR值的(de)增大(dà)有加速作用(yòng)嗎?我們再看下(xià)面的(de)實驗

我們把環境溫度固定在180℃, 钽電容放置在一個(gè)體積爲7*10^-6m³的(de)密閉容器内, 并在其内部加入不同重量的(de)水(shuǐ), 根據水(shuǐ)蒸氣飽和(hé)蒸汽壓對(duì)照(zhào)表[5], 計算(suàn)該體積内在180℃達到飽和(hé)濕度下(xià)的(de)絕對(duì)水(shuǐ)份含量爲54mg, 我們在其飽和(hé)濕度下(xià)設定幾個(gè)濕度點, 具體見表2:

通(tōng)過實驗發現, 當濕度小于15%時(shí), 钽電容ESR值幾乎不變, 而當濕度大(dà)于15%時(shí), 钽電容ESR值會成倍的(de)上漲, 但即使濕度再加大(dà), 也(yě)不會加速钽電容ESR值的(de)變化(huà)。

給钽電容施加一定的(de)交流電壓, 電流将按徑向流動, 其導電模型如下(xià)圖所示可(kě)看作爲在氧化(huà)膜微孔内的(de)、無數微小的(de)、由電解質組成的(de)微小電阻和(hé)電容量構成, 即由分(fēn)布參數RC組成的(de)導電網絡, ESR的(de)變化(huà)實際是内部等效R的(de)變化(huà), 并将影(yǐng)響電源濾波。

作爲表貼元件, 雖然钽電容具有ESR相對(duì)較小, 安裝方便且易于加工和(hé)較寬的(de)頻(pín)率使用(yòng)範圍。但其存在的(de)各種失效模式也(yě)不容我們忽視, 尤其表現在可(kě)靠性過程中, 钽電容ESR值長(cháng)期緩慢(màn)的(de)變化(huà), 在廠家的(de)檢測過程中極難發現, 這(zhè)也(yě)是到目前爲止國内外沒有關于這(zhè)方面報道的(de)主要原因。