热膨胀匹配性对钽电容器的影响

国内外片式钽电容器的可靠性评估项目中均在温度循环试验环节设计了较多的循环次数, 其中国家宇航标准中YA级产品要求100次循环, YB级产品要求50次循环。国内研制单位普遍认为由于其热膨胀系数不同, 循环次数过多, 会对电容器介质氧化膜造成损伤, 导致产品发生短路、漏电流超限等现象。本文将结合宇航用片式钽电容器详细规范验证工作对片式钽电容器温度循环试验以HALT、STEP的试验方式累积试验数据, 并分析温度循环试验对片式钽电容器可靠性的影响。

从日常累积的片式钽电容器失效案例可以看出, 主要的失效原因是介质层缺陷, 从而导致钽阳极与二氧化锰阴极之间形成电流通道。而在温度循环试验中, 由于Ta2O5与Mn O2热膨胀系数不同, 在温度急剧变化的过程中, 两种材料的热膨胀匹配性是否会导致介质氧化膜劣化, 值得我们去研究。

片式钽电容器主要结构:由钽粉芯、阳极钽丝、阳极引出片构成电容器的阳极;由Mn O2、石墨、银浆、阴极引出片构成电容器的阴极;介质层为钽粉芯表面通过电化学反应生成Ta2O5膜。其结构如图1所示。

图1 片式钽电容器结构示意图

在片式钽电容器生产过程中, 首先将钽粉进行烧结, 形成钽块, 由钽丝引出, 正极发生电化学反应形成Ta2O5介质层。再在介质层外部通过硝酸锰溶液进行反应在Ta2O5介质层外部生成Mn O2作为阴极。

Ta2O5与Mn O2都属于离子晶体化合物, 在化学实用手册中没有化合物的热膨胀系数, 但根据固体理论, 由于无法确定Ta2O5与Mn O2的某一温度下的势能函数U (r) , 故无法确定热膨胀系数。由于Ta2O5与Mn O2都属于离子晶体化合物离子键, 本质上是一种静电效应, 对晶格具有束缚作用。正、负离子间的静电作用越强, 生成的离子键也愈强。固体物理中, 离子势表示离子键的强弱, 离子势的定义为离子电荷Z与其离子半径R之比, 离子势越大, 离子键越强, 晶格振动后偏离平衡位置的几率越小;离子势越小, 离子键越弱, 晶格振动后偏离平衡位置的几率越大。故工程上近似热膨胀系数与 (电价/配位数) 2成反比, Ta2O5电价为5, 配位数为8, 故其热膨胀系数约为2.94×10-6/℃;Mn O2电价为4, 配位数为6, 故其热膨胀系数约为2.25×10-6/℃。

可见Ta2O5与Mn O2热膨胀系数在同一数量级内, 差别甚小 (一般晶体热膨胀系数范围在10-6~10-2) , 且对于Ta2O5膜层厚度及Mn O2膜层厚度而言, 其实际膨胀尺寸非常小, 表明Ta2O5与Mn O2的热膨胀匹配性较好。且对于温度循环试验过程中180℃的温差而言, 由于热膨胀产生的形变量180α, 对于片式钽电容器介质氧化膜产生的影响也较小。

对于Ta2O5与Mn O2热膨胀系数的定性分析完成以后, 我们将通过试验验证分析的结果。对于热膨胀系数的考核, 主要采用《电子及电气元件试验方法》中温度循环试验, 在参考了国内外的相关试验后, 采用HALT、STEP试验模式, 对于温度循环试验的试验条件作了相应的调整。以下为我们对于热膨胀系数考核的具体试验方案。

该试验主要通过两种方式 (见图2) 来验证钽电容器热匹配性问题, 第一种为HALT试验, 该试验通过极限模式对样品进行考核, 并进行失效分析。另一种是STEP试验, 该试验通过步进试验强度考核样品, 并进行失效分析。

(1) 缺陷定义。片式钽电容器由于材料、本身存在一定缺陷, 如漏电流等, 这并不是本文所指的缺陷, 本文中缺陷指的是通过试验, 导致有明显变化的数值。

(2) 在进行温度循环试验前, 所有的样品需进行额定电压, 48小时的老炼试验, 在试验前剔出本身存在缺陷的样品, 保证在进行温度循环试验时, 仅有该试验产生的缺陷, 而不引入其他缺陷。

HALT试验是故障激发类试验, 利用高温度应力、振动应力、温度循环应力及电压拉偏应力, 在短时间内激发出产品潜在缺陷, 为产品的优化设计提供依据。在本文中, HALT试验, 对于试验方案中除200次温度循环试验, 如在200次温度循环试验中有1只样品失效, HALT试验结束, 且每10次记录一次数据, 可看出随着温度循环次数的增加, 电容器电性能的变化。

STEP试验为步进试验, 有两种形式, 一种模式为每次逐步增加试验应力考核产品;第二种模式为通过施加相同应力多次考核产品, 以上两种形式均可以达到递增试验应力的目的。本文采用第二种形式, 通过对样品进行试验组循环, 步进试验压力, 观察样品参数变化化的趋势。如在试验中出现不合格样品, 将对样品剔除后继续进行试验。

本文中将以30次温度循环试后进行额定电压、48小时老炼试验为一个周期, 进行3次周期。在于通过老炼试验, 将温度循环后暴露的缺陷进行放大处理, 这是考虑到由于Ta2O5与Mn O2热膨胀系数比较接近, 仅通过温度循环不足以表现出气温度系数的差异。

通过STEP、HALT试验, 能全面地得出Ta2O5与Mn O2热膨胀系数匹配性。

本次试验选取了CAK45型有失效率等级的产品进行试验, 该系列产品是应用最广泛的片式钽电容器。试验样品清单见表1。

表1 试验样品清单

试验结果说明:钽电容器漏电流实际测量值一般远远小于规定数值, 故依次界定失效与否范围较宽, 本文以超出三倍初测值作为失效判据, 依次判断钽电容器失效与否。由于篇幅有限本文仅列举了一组HALT试验结果及STEP试验结果。

在HALT试验结果中, 200次温度循环试验图表均有22个值, 第一次为初始值, 第二次为48小时老炼试验普筛后的参数。在该试验中已有一支失效, 但为得到完整数据, 继续进行试验。STEP试验主要是温度循环加老炼试验, 步进相同应力, 达到应力累加的效果。其中第一次为初始值, 第二次为48小时老炼试验普筛后的参数, 第三次为30次温度循环后的数据, 第四次为48小时老炼试验后的数据, 第五次为累积60次温度循环后的数据, 依次类推, STEP试验一共进行累积90次温度循环及144小时老炼试验。

图3为HALT试验中容量变化结果, 可见24支样品均无任何变化, 曲线在200次循环中呈现出一直线, 变化量均没有超过初始值的5%。图4为STEP试验中容量变化结果, 可见24支样品均无任何变化, 曲线呈现一直线, 变化量均没有超过初始值的5%。

图5为HALT试验中损耗变化结果, 可见样品变化趋势一般在开始时损耗都较大, 随着循环次数的增加, 损耗大致略有下降, 可能是由于初测时, 在生产厂老炼后仍存在极化现象, 在温度循环去老练, 故初始值较大。图6为STEP试验中损耗变化结果, 可见样品的变化均不大。

图7为HALT试验中漏电流变化结果, 可见漏电流变化较为稳定。图8为STEP试验中漏电流变化结果, 样品仅在第一次进行30次温度循环后的数据略有变大, 在其后的循环试验中参数又略有恢复, 仅3组中有一支样品在温度循环及老炼后, 漏电流逐渐增大。

图9为HALT试验中ESR变化结果, 可见ESR初测时数值比较大, 在普筛后大部分都有所下降, 这一原因可能还是和产品在生产厂老炼后仍存在极化现象有关, 在后续200次温度循环中没有大的变化。图10为STEP试验中ESR变化结果, ESR变化趋势与HALT组试验变化趋势一致。

在HALT试验中200次温度循环试验试验后可以看出, 钽电容器各项性能指标并没有明显变化, 由此可知其Ta2O5与Mn O2的热膨胀匹配性较好, 200次的温度循环并不会对产品产生破坏性影响。在STEP试验中可以看出, 钽电容器的漏电流会随着STEP的循环次数增加而略有增大, 其他电性能参数都无明显变化, 由此可知其Ta2O5与Mn O2的热膨胀匹配性较好, 对于本身不存在缺陷的产品, STEP试验数据较为稳定。对于本身存在缺陷的产品, 通过在温度循环试验后设置老炼试验, 能将温度循环试验中可能暴露的缺陷进一步放大。

通过以上试验, 片式钽电容器的Ta2O5与Mn O2的热膨胀匹配性较好, 对于本身不存在缺陷的产品能耐受本文所设置的HALT试验及STEP试验。

通过理论及HALT及STEP试验分析, 采用工程近似方法, 得出离子晶体热膨胀系数, 与实际比较结果一致, 故采用该方法也可对其他离子晶体材料的热膨胀系数进行分析研究。通过试验证明了Ta2O5与Mn O2的热膨胀系数较为接近, 符合文中理论推导。

其次本文中片式钽电容器中Ta2O5与Mn O2由于材料不同, 其热膨胀系数不同, 温度循环试验有其必要性, 但由于Ta2O5与Mn O2的热膨胀系数其匹配性较好, 对于本身不存在缺陷的产品, 在进行200次的温度循环试验, 不会对产品本身产生破坏作用。故新颁布的国宇标中YA级产品要求100次循环, YB级产品要求50次循环, 对于本身不存在缺陷的产品不具有破坏性作用。