钽电容温湿度失效模式ESR值,内部结构和主要加工工艺

摘本文通过对钽电容结构、生产工艺和性能参数的分析, 总结了钽电容常见的使用问题, 并根据Arrhenius加速模型分析了一种钽电容全新的失效模式。该失效需要特定的环境因素才会被激发, 所以目前鲜有报道。

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下面简单介绍下钽电容的主要加工工艺[6]

目前常见的钽电容有三种失效模式:电压型、电流型和发热型。

电压型失效是指使用过程中存在不合理工作电压或浪涌电压过高, 引起局部打火, 导致介质层击穿;另外五氧化二钽层不可能没有任何缺陷, 如果介质层长期工作在高电压条件下, 当氧化层的缺陷受高压作用产生较高的电场强度, 并在局部形成高温, 则极易产生晶化的现象。当然也不排除氧化层界面上本身存在杂质, 这样不需要外部条件就能够诱发晶化, 随着温度的逐渐升高, 晶核也不断在生长, 最终导致氧化膜破裂形成失效。有实验数据显示, 晶体生长并最终导致氧化膜破裂的时间与电场强度呈指数函数分布, 即随着电压的增加和环境温度的升高, 晶体逐渐的生长, 生长前期可能对电容器本身特性没有任何影响, 一旦晶体穿破氧化膜, 钽电容将彻底失效, 所以该失效在前期不易被发现, 可能失效比率较低, 可随着时间的延长, 失效率会飞速增加并爆发, 后果不堪设想。

电流型失效主要是钽电容出现异常的漏电流, 前文我们已经说明, 钽电容ESR中漏电流电阻可以忽略, 但如果钽电容氧化膜上的缺陷逐渐恶化, 引起介质层的漏电流增大甚至介质短路, 则漏电流电阻将不能被忽视。虽然钽电容有一定的自愈性, 这也是其不同于其它电解电容的特点, 当出现一些缺陷形成击穿时, 钽电容二氧化锰层会产生变化, 在高温下形成新的氧化物, 阻碍问题的恶化, 但如果处于过电频繁的场合, 介质层可能被瞬间击穿, 无法自愈。

发热型失效一般是由于产品的损耗太大导致热失衡, 热量分布不均匀, 局部热量较大, 长期累积无法散开, 导致热破坏。

[2][4], 我们通过失效时间来反应失效速率, 选取两个时间点, 一个失效时间设定为30天, 一个为7天, 通过加速因子来计算所需要的实验温度。

Ea:失效激活能, 设为常数0.67e V;

K:玻尔兹曼常数, 8.62*10^-5e V/K;

Tnormal:实际使用的绝对温度, 我们设定为85℃;

Tstress:实验的绝对温度。

通过计算, 两个加速实验温度设定为120℃和180℃, 同时为了证明单独的高温不会造成钽电容ESR值的变化, 我们增加了实验三, 具体实验见表1:

表1 不同温度对钽电容ESR值的影响

[5], 计算该体积内在180℃达到饱和湿度下的绝对水份含量为54mg, 我们在其饱和湿度下设定几个湿度点, 具体见表2:

表2 不同湿度对钽电容ESR值的影响

通过实验发现, 当湿度小于15%时, 钽电容ESR值几乎不变, 而当湿度大于15%时, 钽电容ESR值会成倍的上涨, 但即使湿度再加大, 也不会加速钽电容ESR值的变化。

[2][4], 我们通过失效时间来反应失效速率, 选取两个时间点, 一个失效时间设定为30天, 一个为7天, 通过加速因子来计算所需要的实验温度。

[5], 计算该体积内在180℃达到饱和湿度下的绝对水份含量为54mg, 我们在其饱和湿度下设定几个湿度点, 具体见表2:

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