型号设备用钽电解电容器可靠性研究

2018-04-14陶帅胡小海

电子产品可靠性与环境试验 2018年1期

陶帅，胡小海

（上海航天技术基础所,上海 201109）

0 引言

钽电解电容器具有电性能优良稳定、密封性好、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、贮存稳定性好、片式化程度高、直流漏电流和等效串联电阻（ESR）低,以及综合性能优异等特点,不仅在常规条件下比铝、陶瓷和薄膜等电容器的体积小、容量大、可靠性和稳定性高,而且能够在许多其他电容器不能胜任的严酷环境条件下正常工作,因此,主要应用于航天、航空和导弹等军用电子设备中。

航天某研究院在某型号设备中使用了大量的钽电解电容器,主要是用在信号、电源滤波和储能等方面。由于使用量大,接连发生了多起钽电解电容器失效的情况,笔者分析了这几起钽电解电容器的失效案例,并给出了型号设备用钽电解电容器选型和使用的建议和措施。

1 钽电解电容器失效案例

1.1 DC-DC电源用有可靠性指标的气密封非固体电解质全钽电容器CAK39H-63 V-560UF失效案例

2016年3月2日,一个电源模块在现场调试的过程中出现掉电现象,将该模块返所后进行模拟试验,其中一只产品出现炸裂。经分析发现:本次电容器失效为偶然失效,主要原因为在电路动态的复杂性和不确定性的影响下,个别产品的氧化膜薄弱处出现晶化,在多次上电和取电的使用过程中,晶化进一步地加剧,导致产品漏电流增加,产品发热严重,最终导致电容器爆炸。

1.2 惯性测量装置用固体电解质钽电容器GCA-40 V-22UF-M失效案例

2016年5月21日,总装厂对从某基地返回的前弹身电子舱进行导通检查,发现27 V回路的阻值为0.47 Ω,不满足技术指标要求。经故障排查,发现惯性测量装置C3电容器存在故障,导致27 V回路阻值异常。经失效分析发现:该钽电解电容器的问题为介质氧化膜存在缺陷,在加电使用时,在钽芯介质层缺陷位置处产生漏电通道,使局部温度较高,并进一步地使漏电流增大,最终引起钽电容击穿烧毁,钽电容短路失效。

1.3 数字信号处理机使用的片式钽电解电容器CAK45 A-C-35 V-10 μF-K阻抗异常失效案例

2016年10月29日,某型号数字信号处理机的接口管理板单板在常温测试过程中,单板上电时刻-15 V电压输出电流异常变大,-15 V电压供电电源输出限流。经单板测试发现:-15 V电压所在的网络对地阻抗异常降低,单板-15 V网络中位号C11、型号规格为CAK45 A-C-35 V-10 μF-K的钽电容表面颜色变深,拆解该钽电容后,测量电容的内部阻抗时发现其异常降低为3 Ω,导致流经该电容的电流过大,从而导致-15 V供电电源输出限流。拆解问题电容后,接口管理单板-15 V电压网络对地阻抗恢复正常（30 kΩ左右）,加电测试,发现:单板各项功能正常。经分析发现,引起该问题的原因为:个别钽电解电容器本身存在氧化膜的固有缺陷,ESR值偏大；调试过程中设备选用不当,采用输出功率较大的N6705B型电源分析仪结合纽子开关加电,通电瞬间单板电源输入端电压变化率很大,在负载上出现较大的浪涌冲击电流和高频电压噪声；当多只电容并联使用且ESR一致性较差时,ESR大的电容在大浪涌电流下短路失效,属于使用质量问题。

这3起钽电解电容器失效情况既有个别元器件氧化膜缺陷的原因,也有使用不当,降额设计不足,浪涌电流偏大等方面的原因。钽电解电容器失效往往是多种因素相互叠加的结果。

2 钽电解电容器失效原因分析

从对其使用的影响的角度来分,片式钽电解电容器的主要失效模式有:浪涌电流失效、漏电流增大、焊接后出现起泡开裂[1]和电参数漂移；全密封固体电解质钽电容器的主要失效模式有:老化击穿短路、多余物短路[2]和引线断裂开路；气密封非固体电解质钽电容器的主要失效模式有:漏液、银离子迁移短路、引线断裂开路和电参数漂移。

2.1 浪涌电流失效

浪涌电流失效是指钽电解电容器在上电瞬间出现击穿并导致电容器永久性短路的一种失效模式。电容器在使用过程中受到超过其承受能力的电流冲击时,会导致产品电介质氧化膜受到破坏。在继续加电工作的过程中,氧化膜薄弱处的漏电流会增大,热量迅速地增加,在局部部位,电容器阴极的MnO2经过高温热分解后会释放出氧气,当热冲击对氧化膜造成的损伤超过氧化膜自愈修复能力时,氧化膜击穿,氧气通过介质Ta2O5的裂缝或空隙与阳极钽接触,由于钽粉的活性极强,会直接发生燃烧现象,从而导致电容器失效。

2.2 漏电流增大

漏电流增大会导致电路噪声变大、滤波效果下降和电路性能下降等问题。导致电容器漏电流增大的原因主要有:1）电容器本身的问题；2）焊接条件过高；3）环境温度过高；4）施加的电压和电流过大。

2.3 焊接热

焊接热应力对封装结构的影响主要是发生所谓的 “爆米花”效应,即在热应力的作用下,封装出现开裂或鼓包的现象。引起该现象的原因主要有以下两种。

a）在焊接热应力的作用下,当焊接温度超过包封材料的玻璃化温度时,会引起包封材料的物理性能发生变化,特别是膨胀系数发生突变,有可能造成包封材料和电极材料的热膨胀失配,最终发生开裂现象。片式钽电容器发生鼓胀或开裂的部位全部集中在包封材料和电容引线框架结合部位,从包封层剥离后的状况来看,该处的包封材料最薄,而且材料和金属框架之间的粘接性能最差。由此可见,鼓胀或开裂现象实际上是包封材料和金属框架之间在最薄弱部位分离造成的。

b）元器件内部的潮气在焊接过程中急剧地膨胀,造成包封层外壳变形鼓胀。当吸收了潮气的塑封器件暴露在回流焊的高温下或如果封装融入熔融焊料或波峰焊料中,内部潮气就变成蒸汽,并迅速地膨胀,很容易发生各种作用而导致内部分层、键合损伤和热膨胀。

2.4 电气参数漂移

电气参数漂移是由于不当的安装应力、环境应力、电应力,贮存过程中的温度、湿度,以及空气中的有害物质等造成的参数变化超出了产品手册规定的范围而造成的。

2.5 老化击穿短路

由于原材料固有杂质的存在,杂质部位的介质氧化膜生成不完整,氧化膜的厚度较正常区域薄,通过后期的高温电压老化和高温漏电流测量,一般可以有效地剔除该类介质氧化膜存在缺陷、漏电流不合格的电容器,确保电容器的质量一致性和后期的使用可靠性。但极个别介质氧化膜存在轻微缺陷的电容器在经过高温电压老化后,其介质氧化膜缺陷处劣化程度较轻,漏电流仍在合格范围内,而未被有效地剔除。交付用户后,在长期使用的过程中,由于电应力和温度应力的作用,钽电容器介质氧化膜缺陷处逐渐地劣化,漏电流不断地增大,大电流均集中通过氧化膜薄弱区域,造成该区域温度不断地升高,在电应力和热应力的综合作用下,介质氧化膜薄弱部位持续产生晶化点。当晶化点长到足够大时,介质氧化膜出现破裂,原有的绝缘性能受到破坏,电容器漏电流和温度急剧地增大和升高,最终导致击穿短路失效。

2.6 多余物短路

全密封固体钽电容器出现多余物的原因一般有以下两种。

a）生产装配过程中引入的多余物。将放有底锡的外壳放入经调好温度的装配炉孔内,经5～10 s,底锡熔化后,即把穿有绝缘子的钽芯子插入外壳,同时在绝缘子上放入相应的松香焊锡环,待底锡和焊锡环熔化后将绝缘子摆正并摇动钽芯子8～9次,让底锡完全熔化并包裹钽芯后,用镊子夹住外壳取出。在熔化底锡的过程中,由于外壳中的底锡熔化温度为200～240℃,而钽芯子为常温状态,且钽芯子为多孔结构,产品在高温被膜后常温下放置,多孔体会缓慢地吸附大气,钽芯子放入底锡中时,由于存在温差,钽芯子受高温迅速地向外排气,就有可能造成个别产品底锡飞溅附着在钽芯子上表面或绝缘子背面而造成多余物。当飞溅附着的焊锡长度达到电容器外壳内径的一半时,在振动的过程中多余焊锡就有可能将钽丝与外壳搭接,此时就会造成钽电容器短路失效,焊锡没有将钽丝与外壳搭接时,钽电容器电性能合格。

b）焊接安装过程引入的多余物。电装过程温度过高或者焊点离封口锡包太近,都会造成全密封固体钽电容器受热后密封口焊锡熔化,内部产生负压,把封口处焊锡吸入内部,造成腔内有金属多余物而出现短路。

2.7 引线断裂开路

气密封非封固体钽电容器引线断裂开路和全密封固体钽电容器的失效模式、失效机理一样。在安装时（特别是对于大壳号产品而言）,如果安装方式不正确或者安装时引线弯折处受到损伤,在振动试验时就可能出现引线断裂现象,从而导致电容器开路。

2.8 漏液

气密封非固体电解质钽电容器漏液的原因主要有两种。

a）安装使用时,绝缘子受到了外部异常应力的作用（如安装时弯折钽管）而受到损伤,绝缘子玻璃粉出现裂纹或钽管与玻璃粉熔融处产生缝隙,从而导致内部电解液泄露。

b）在使用的过程中,受到了过应力的作用（如过电压、超温使用）,使钽电容器氧化膜受损,漏电流增大,产品本体的温度不断地上升,并且在内部化学反应的作用下产生气体,内部气压不断地增大而出现壳体爆裂,电解液泄露。

2.9 银离子迁移短路

银外壳气密封非固体电解质钽电容器不能承受任何反向电压。在反向电压的作用下,银外壳的银离子会在电场的作用下迁移到阳极钽块上,造成电介质氧化膜缺陷部位出现局部短路。

3 钽电解电容器可靠性改进措施

通过对钽电解电容器的失效原因进行分析,发现个别钽电解电容器氧化膜脆弱、外界应力作用和使用不当是导致钽电解电容器失效的主要原因。针对失效原因,可以从以下3个方面提高型号设备用钽电解电容器的可靠性。

3.1 钽电解电容器的生产制造

钽电解电容器的性能和可靠性主要由介质决定,制造厂家都在不断地寻找新技术、新材料和新工艺来提高Ta2O5介质氧化膜的质量。工作介质是通过电化学反应在钽金属表面形成的一层无定形态Ta2O5膜,在实际生产中,每只钽电解电容器的介质层都存在不同程度的缺陷,介质层的缺陷造成了产品的漏电流,漏电流越大,介质膜缺陷也就越大。从目前的研究可知:钽粉纯度、氧化膜厚度、密封材料和MnO2平坦度是导致介质膜缺陷的主要原因,因此,在生产工艺过程中需对这些关键工艺/工序进行严格的管控。

3.2 钽电解电容器的补充筛选和破坏性物理分析

型号设备使用的钽电解电容器基本都是依据相应的国军标GJB 63B-2001《有可靠性指标的固体电解质钽电解电容器总规范》、GJB 733A-96《有可靠性指标的非固体电解质钽电解电容器总规范》和GJB 2283-95《有可靠性指标的片式固体电解质钽电解电容器总规范》进行生产制造的,质量等级为国军标。由于我国的钽电解电容器国军标标准较旧,基本上都是在20世纪90年代制定的（最新的为2001年版本）,对影响钽电解电容器可靠性的关键因素——浪涌电流测试一直未强制要求执行,因此在补充筛选时都要100%进行浪涌电流测试。

由于钽电解电容器是核心关键器件,因此必须要按照GJB 4027要求进行钽电解电容器的破坏性物理分析试验,并增加耐焊接热试验（焊接时的热胀冷缩效应是导致钽电解电容器氧化膜缺陷的主要原因之一）。

3.3 钽电容的设计和使用

在电路设计时,钽电容一般应对电压进行一级降额（降额系数在50%以上）。钽电解电容器用于滤波回路时电压降额应在2/3以上[3],同时应充分地考虑LC电路的阻尼特性,降低开机振荡的影响（欧洲航空局禁止固体钽电解电容器用于DC/DC输入滤波）。在电路设计时不仅要进行充分的降额设计,还需要进行必要的冗余设计:在可靠性要求较高的部位,电容器应串并联使用。通过在电路中并接储能电容,抑制高频电压分量；并采用串接低阻抗功率电阻等措施来降低流经钽电解电容器的浪涌电流。

钽电解电容器介质氧化膜具有单向导电性和整流特性,当施加反向电压时,就会有较大的电流通过,往往会造成质量隐患,严重时甚至会造成电容器反向击穿失效。因此,在使用中应严格地控制反向电压。在单板、组合等阶段加电时均采用软启动方式[4],提供更平稳的电压斜率。在满足性能要求的前提下,尽可能地选择体积较大的产品。

由于钽电解电容器的组成材料主要有钽芯、氧化膜（Ta2O5）、MnO2（阴极）、石墨、银浆、引线框架和模压料等,这些材料中有金属、半导体和绝缘体,其热膨胀系数不同,在温度变化的作用下,热膨胀系数差异产生的收缩效应会使氧化膜缺陷部位受到机械应力的作用而扩大、破裂,导致其绝缘强度降低,最终在电场的作用下击穿,因此,在对钽电解电容器进行焊接时,应尽量地降低焊接温度,缩短焊接时间。由于钽电解电容器受温度影响较大,因此,在电路板布局时应该远离发热器件,保持通风良好,确保钽电解电容器的壳温控制在50℃以下[5]。

钽电解电容器在运输、安装等过程中应避免受到过大的应力,以免产品主体或其引线端子的电镀层剥落受伤；安装过的产品不能再次使用；在测量、使用过程中应避免手指直接接触产品,防止汗渍等污染物引起产品的可焊性降低。