钽电容温湿度失效模式ESR值,内部结构和主要加工工艺

钽电解电容能够快速替代传统的电解电容, 不仅因为它具有较好的电性能, 还因为其工艺特点决定了它封装体积较小, 易于小型化和批量生产, 能够满足目前电子产品的自动化发展, 因此得到普遍的应用。但钽电容受结构问题影响, 容易在大电流下失效;同时, 当选型钽电容为临界规格时, 长期可靠性相对较低, 比较容易失效, 这些问题在我们生产使用中都用重点关注。

本文通过对钽电容的结构、生产工艺和主要性能参数特点入手, 分析了钽电容常见的失效模式, 并重点模拟长期使用过程中, 由于外界环境条件的变化, 造成钽电容ESR值变化的问题。这个过程可能持续几个月甚至几年直到其彻底失效才会被发现, 也正是由于该过程持续时间长, 所以目前为止在国内外对应这方面的研究还属于空白。

钽电容是通过将钽粉压制而成, 经高温烧结成型, 芯片的阳极经过氧化处理表面生产一层五氧化二钽氧化膜, 再覆盖一层二氧化锰电解质, 然后在二氧化锰和金属层中间涂上一层石墨作为过渡, 最后用树脂把其封装成为钽电容。下图是其内部结构示意图[1]:

下面简单介绍下钽电容的主要加工工艺[3]:

目前, 市场上大量使用的贴片钽电容, 其阳极一般使用钽粉经一定压力成型, 然后通过真空高温固化, 因此钽粉的质量决定了钽电容的质量, 没有好的原材料无法做出高质量的元器件, 后续再精密的加工也无法弥补材料上的缺陷, 所以钽粉直接决定钽电容的可靠性。一般影响钽粉质量的关键因素有的颗粒的大小和形状, 钽粉的配比以及钽粉的纯度和密度。

在钽粉烧结成型前需加入适量的粘合剂, 这样保证钽粉颗粒间不直接接触, 有效的降低了钽粉颗粒直接的相互摩擦和损伤, 这样烧结出的钽芯更加致命, 质量更高。在烧结后, 粘合剂受高温影响全部挥发, 这样原来粘合剂的位置变成了空洞, 有效的提高了钽芯的气孔率。较好的烧结工艺对钽电容的损耗和电容量的提高都有明显的改善。

钽芯表面的五氧化二钽是通过电化学的方法形成的, 在电解液中, 设置合适的电压和电流, 使钽芯表面逐渐生产一层致密的氧化膜, 该氧化膜后面电极的制备至关重要, 如果一旦存在空隙, 长期工作下存在可靠性隐患, 沉积速率的控制显得至关重要。

在五氧化二钽表面上制备Mn O2层作为电解质, 需要对Mn (NO3) 2进行热分解, 其中包括水汽 (湿式) 或空气 (干式) 两种方式, 湿式分解Mn O2较致密度, 相比干式要优越, 目前厂家工艺均用湿式热分解法。

钽电容的阻抗频率特性呈现为U形, 这与其它电解电容一样, 而且钽电容的ESR值相对与其它电解电容均较小, 但其ESL不像其它电解电容那样大, 这样就决定了其区别于其它电解电容的特点, 下面从钽电容的管脚电性能指标上分析其具有的特性。

相同电容量时, 由于钽电容是固体烧结成型, 所以其体积远远小于其它电解电容, 但正是由于其工艺特点, 钽电容的电容与电压乘积不能同时增大, 相互矛盾, 所以两者的乘积受限。

此外, 容量与频率呈反比, 容量受温度影响较小, 相对稳定, 即使在极低温度下, 波动仍小于10%。所以钽电容在作为滤波元件使用时, 温度的影响几乎可以忽略。

从上面内部结构和加工工艺流程可以看出, 钽电容的ESR值主要由介质电阻和接触电阻构成, 而接触电阻又分为两部分, 总体来说可以把钽电容的ESR看做是r_介+r_解+r_金, 但实际上还存在一种电阻r L是漏电流电阻, 但其再高频时几乎可以忽略。

在低频段, 主要是r_解与r_金的影响, 而在较高频率区域主要是r_解的影响。总之, 贴片固体钽电容的ESR值相对较小, 其范围在几十毫欧到10欧姆分之间。

ESL主要受封装结构影响, 包括封装尺寸和引线, 所以这样就决定了钽电容具有较小的ESL, 其值一般小于3n H。当然, ESL值相对比较稳定, 它不会根据滤波频率、本身电容量和环境温度等条件的变化而变化。

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。

除了上述的失效外, 近期发现了钽电容一种缓慢失效机理, 该失效与外界温湿度直接相关, 最终影响钽电容ESR的变化, 下面我们同加速试验来进行模拟。

根据Arrhenius模型[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:

单独的高温对钽电容ESR值的变化几乎没有作用, 而当加入一定量的湿度后, 钽电容ESR值的变化速率在两个温度下截然不同, 120℃条件下钽电容25天失效, 180℃条件下钽电容9天失效, 基本和我们理论计算的结果一致, 而且同一温度下变化速率也不是固定的, 随着钽电容ESR值的增大, 变化速率也逐渐增大。

那么问题来了, 温度是在具备一定湿度条件下才对钽电容ESR值产生影响的, 那多大的湿度才能达到影响钽电容的程度呢?湿度对钽电容ESR值的增大有加速作用吗?我们再看下面的实验

我们把环境温度固定在180℃, 钽电容放置在一个体积为7*10^-6m³的密闭容器内, 并在其内部加入不同重量的水, 根据水蒸气饱和蒸汽压对照表[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:

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。

给钽电容施加一定的交流电压, 电流将按径向流动, 其导电模型如下图所示可看作为在氧化膜微孔内的、无数微小的、由电解质组成的微小电阻和电容量构成, 即由分布参数RC组成的导电网络, ESR的变化实际是内部等效R的变化, 并将影响电源滤波。

作为表贴元件, 虽然钽电容具有ESR相对较小, 安装方便且易于加工和较宽的频率使用范围。但其存在的各种失效模式也不容我们忽视, 尤其表现在可靠性过程中, 钽电容ESR值长期缓慢的变化, 在厂家的检测过程中极难发现, 这也是到目前为止国内外没有关于这方面报道的主要原因。