熱(rè)膨脹匹配性對(duì)钽電容器的(de)影(yǐng)響

國内外片式钽電容器的(de)可(kě)靠性評估項目中均在溫度循環試驗環節設計了(le)較多(duō)的(de)循環次數, 其中國家宇航标準中YA級産品要求100次循環, YB級産品要求50次循環。國内研制單位普遍認爲由于其熱(rè)膨脹系數不同, 循環次數過多(duō), 會對(duì)電容器介質氧化(huà)膜造成損傷, 導緻産品發生短路、漏電流超限等現象。本文将結合宇航用(yòng)片式钽電容器詳細規範驗證工作對(duì)片式钽電容器溫度循環試驗以HALT、STEP的(de)試驗方式累積試驗數據, 并分(fēn)析溫度循環試驗對(duì)片式钽電容器可(kě)靠性的(de)影(yǐng)響。

從日常累積的(de)片式钽電容器失效案例可(kě)以看出, 主要的(de)失效原因是介質層缺陷, 從而導緻钽陽極與二氧化(huà)錳陰極之間形成電流通(tōng)道。而在溫度循環試驗中, 由于Ta2O5與Mn O2熱(rè)膨脹系數不同, 在溫度急劇變化(huà)的(de)過程中, 兩種材料的(de)熱(rè)膨脹匹配性是否會導緻介質氧化(huà)膜劣化(huà), 值得(de)我們去研究。

片式钽電容器主要結構:由钽粉芯、陽極钽絲、陽極引出片構成電容器的(de)陽極;由Mn O2、石墨、銀漿、陰極引出片構成電容器的(de)陰極;介質層爲钽粉芯表面通(tōng)過電化(huà)學反應生成Ta2O5膜。其結構如圖1所示。

圖1 片式钽電容器結構示意圖

在片式钽電容器生産過程中, 首先将钽粉進行燒結, 形成钽塊, 由钽絲引出, 正極發生電化(huà)學反應形成Ta2O5介質層。再在介質層外部通(tōng)過硝酸錳溶液進行反應在Ta2O5介質層外部生成Mn O2作爲陰極。

Ta2O5與Mn O2都屬于離子晶體化(huà)合物(wù), 在化(huà)學實用(yòng)手冊中沒有化(huà)合物(wù)的(de)熱(rè)膨脹系數, 但根據固體理(lǐ)論, 由于無法确定Ta2O5與Mn O2的(de)某一溫度下(xià)的(de)勢能函數U (r) , 故無法确定熱(rè)膨脹系數。由于Ta2O5與Mn O2都屬于離子晶體化(huà)合物(wù)離子鍵, 本質上是一種靜電效應, 對(duì)晶格具有束縛作用(yòng)。正、負離子間的(de)靜電作用(yòng)越強, 生成的(de)離子鍵也(yě)愈強。固體物(wù)理(lǐ)中, 離子勢表示離子鍵的(de)強弱, 離子勢的(de)定義爲離子電荷Z與其離子半徑R之比, 離子勢越大(dà), 離子鍵越強, 晶格振動後偏離平衡位置的(de)幾率越小;離子勢越小, 離子鍵越弱, 晶格振動後偏離平衡位置的(de)幾率越大(dà)。故工程上近似熱(rè)膨脹系數與 (電價/配位數) 2成反比, Ta2O5電價爲5, 配位數爲8, 故其熱(rè)膨脹系數約爲2.94×10-6/℃;Mn O2電價爲4, 配位數爲6, 故其熱(rè)膨脹系數約爲2.25×10-6/℃。

可(kě)見Ta2O5與Mn O2熱(rè)膨脹系數在同一數量級内, 差别甚小 (一般晶體熱(rè)膨脹系數範圍在10-6~10-2) , 且對(duì)于Ta2O5膜層厚度及Mn O2膜層厚度而言, 其實際膨脹尺寸非常小, 表明(míng)Ta2O5與Mn O2的(de)熱(rè)膨脹匹配性較好。且對(duì)于溫度循環試驗過程中180℃的(de)溫差而言, 由于熱(rè)膨脹産生的(de)形變量180α, 對(duì)于片式钽電容器介質氧化(huà)膜産生的(de)影(yǐng)響也(yě)較小。

對(duì)于Ta2O5與Mn O2熱(rè)膨脹系數的(de)定性分(fēn)析完成以後, 我們将通(tōng)過試驗驗證分(fēn)析的(de)結果。對(duì)于熱(rè)膨脹系數的(de)考核, 主要采用(yòng)《電子及電氣元件試驗方法》中溫度循環試驗, 在參考了(le)國内外的(de)相關試驗後, 采用(yòng)HALT、STEP試驗模式, 對(duì)于溫度循環試驗的(de)試驗條件作了(le)相應的(de)調整。以下(xià)爲我們對(duì)于熱(rè)膨脹系數考核的(de)具體試驗方案。

該試驗主要通(tōng)過兩種方式 (見圖2) 來(lái)驗證钽電容器熱(rè)匹配性問題, 第一種爲HALT試驗, 該試驗通(tōng)過極限模式對(duì)樣品進行考核, 并進行失效分(fēn)析。另一種是STEP試驗, 該試驗通(tōng)過步進試驗強度考核樣品, 并進行失效分(fēn)析。

(1) 缺陷定義。片式钽電容器由于材料、本身存在一定缺陷, 如漏電流等, 這(zhè)并不是本文所指的(de)缺陷, 本文中缺陷指的(de)是通(tōng)過試驗, 導緻有明(míng)顯變化(huà)的(de)數值。

(2) 在進行溫度循環試驗前, 所有的(de)樣品需進行額定電壓, 48小時(shí)的(de)老煉試驗, 在試驗前剔出本身存在缺陷的(de)樣品, 保證在進行溫度循環試驗時(shí), 僅有該試驗産生的(de)缺陷, 而不引入其他(tā)缺陷。

HALT試驗是故障激發類試驗, 利用(yòng)高(gāo)溫度應力、振動應力、溫度循環應力及電壓拉偏應力, 在短時(shí)間内激發出産品潛在缺陷, 爲産品的(de)優化(huà)設計提供依據。在本文中, HALT試驗, 對(duì)于試驗方案中除200次溫度循環試驗, 如在200次溫度循環試驗中有1隻樣品失效, HALT試驗結束, 且每10次記錄一次數據, 可(kě)看出随著(zhe)溫度循環次數的(de)增加, 電容器電性能的(de)變化(huà)。

STEP試驗爲步進試驗, 有兩種形式, 一種模式爲每次逐步增加試驗應力考核産品;第二種模式爲通(tōng)過施加相同應力多(duō)次考核産品, 以上兩種形式均可(kě)以達到遞增試驗應力的(de)目的(de)。本文采用(yòng)第二種形式, 通(tōng)過對(duì)樣品進行試驗組循環, 步進試驗壓力, 觀察樣品參數變化(huà)化(huà)的(de)趨勢。如在試驗中出現不合格樣品, 将對(duì)樣品剔除後繼續進行試驗。

本文中将以30次溫度循環試後進行額定電壓、48小時(shí)老煉試驗爲一個(gè)周期, 進行3次周期。在于通(tōng)過老煉試驗, 将溫度循環後暴露的(de)缺陷進行放大(dà)處理(lǐ), 這(zhè)是考慮到由于Ta2O5與Mn O2熱(rè)膨脹系數比較接近, 僅通(tōng)過溫度循環不足以表現出氣溫度系數的(de)差異。

通(tōng)過STEP、HALT試驗, 能全面地得(de)出Ta2O5與Mn O2熱(rè)膨脹系數匹配性。

本次試驗選取了(le)CAK45型有失效率等級的(de)産品進行試驗, 該系列産品是應用(yòng)最廣泛的(de)片式钽電容器。試驗樣品清單見表1。

表1 試驗樣品清單

試驗結果說明(míng):钽電容器漏電流實際測量值一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規定數值, 故依次界定失效與否範圍較寬, 本文以超出三倍初測值作爲失效判據, 依次判斷钽電容器失效與否。由于篇幅有限本文僅列舉了(le)一組HALT試驗結果及STEP試驗結果。

在HALT試驗結果中, 200次溫度循環試驗圖表均有22個(gè)值, 第一次爲初始值, 第二次爲48小時(shí)老煉試驗普篩後的(de)參數。在該試驗中已有一支失效, 但爲得(de)到完整數據, 繼續進行試驗。STEP試驗主要是溫度循環加老煉試驗, 步進相同應力, 達到應力累加的(de)效果。其中第一次爲初始值, 第二次爲48小時(shí)老煉試驗普篩後的(de)參數, 第三次爲30次溫度循環後的(de)數據, 第四次爲48小時(shí)老煉試驗後的(de)數據, 第五次爲累積60次溫度循環後的(de)數據, 依次類推, STEP試驗一共進行累積90次溫度循環及144小時(shí)老煉試驗。

圖3爲HALT試驗中容量變化(huà)結果, 可(kě)見24支樣品均無任何變化(huà), 曲線在200次循環中呈現出一直線, 變化(huà)量均沒有超過初始值的(de)5%。圖4爲STEP試驗中容量變化(huà)結果, 可(kě)見24支樣品均無任何變化(huà), 曲線呈現一直線, 變化(huà)量均沒有超過初始值的(de)5%。

圖5爲HALT試驗中損耗變化(huà)結果, 可(kě)見樣品變化(huà)趨勢一般在開始時(shí)損耗都較大(dà), 随著(zhe)循環次數的(de)增加, 損耗大(dà)緻略有下(xià)降, 可(kě)能是由于初測時(shí), 在生産廠老煉後仍存在極化(huà)現象, 在溫度循環去老練, 故初始值較大(dà)。圖6爲STEP試驗中損耗變化(huà)結果, 可(kě)見樣品的(de)變化(huà)均不大(dà)。

圖7爲HALT試驗中漏電流變化(huà)結果, 可(kě)見漏電流變化(huà)較爲穩定。圖8爲STEP試驗中漏電流變化(huà)結果, 樣品僅在第一次進行30次溫度循環後的(de)數據略有變大(dà), 在其後的(de)循環試驗中參數又略有恢複, 僅3組中有一支樣品在溫度循環及老煉後, 漏電流逐漸增大(dà)。

圖9爲HALT試驗中ESR變化(huà)結果, 可(kě)見ESR初測時(shí)數值比較大(dà), 在普篩後大(dà)部分(fēn)都有所下(xià)降, 這(zhè)一原因可(kě)能還(hái)是和(hé)産品在生産廠老煉後仍存在極化(huà)現象有關, 在後續200次溫度循環中沒有大(dà)的(de)變化(huà)。圖10爲STEP試驗中ESR變化(huà)結果, ESR變化(huà)趨勢與HALT組試驗變化(huà)趨勢一緻。

在HALT試驗中200次溫度循環試驗試驗後可(kě)以看出, 钽電容器各項性能指标并沒有明(míng)顯變化(huà), 由此可(kě)知其Ta2O5與Mn O2的(de)熱(rè)膨脹匹配性較好, 200次的(de)溫度循環并不會對(duì)産品産生破壞性影(yǐng)響。在STEP試驗中可(kě)以看出, 钽電容器的(de)漏電流會随著(zhe)STEP的(de)循環次數增加而略有增大(dà), 其他(tā)電性能參數都無明(míng)顯變化(huà), 由此可(kě)知其Ta2O5與Mn O2的(de)熱(rè)膨脹匹配性較好, 對(duì)于本身不存在缺陷的(de)産品, STEP試驗數據較爲穩定。對(duì)于本身存在缺陷的(de)産品, 通(tōng)過在溫度循環試驗後設置老煉試驗, 能将溫度循環試驗中可(kě)能暴露的(de)缺陷進一步放大(dà)。

通(tōng)過以上試驗, 片式钽電容器的(de)Ta2O5與Mn O2的(de)熱(rè)膨脹匹配性較好, 對(duì)于本身不存在缺陷的(de)産品能耐受本文所設置的(de)HALT試驗及STEP試驗。

通(tōng)過理(lǐ)論及HALT及STEP試驗分(fēn)析, 采用(yòng)工程近似方法, 得(de)出離子晶體熱(rè)膨脹系數, 與實際比較結果一緻, 故采用(yòng)該方法也(yě)可(kě)對(duì)其他(tā)離子晶體材料的(de)熱(rè)膨脹系數進行分(fēn)析研究。通(tōng)過試驗證明(míng)了(le)Ta2O5與Mn O2的(de)熱(rè)膨脹系數較爲接近, 符合文中理(lǐ)論推導。

其次本文中片式钽電容器中Ta2O5與Mn O2由于材料不同, 其熱(rè)膨脹系數不同, 溫度循環試驗有其必要性, 但由于Ta2O5與Mn O2的(de)熱(rè)膨脹系數其匹配性較好, 對(duì)于本身不存在缺陷的(de)産品, 在進行200次的(de)溫度循環試驗, 不會對(duì)産品本身産生破壞作用(yòng)。故新頒布的(de)國宇标中YA級産品要求100次循環, YB級産品要求50次循環, 對(duì)于本身不存在缺陷的(de)産品不具有破壞性作用(yòng)。