鉭電解電容能夠快速替代傳統的電解電容, 不僅因為它具有較好的電性能, 還因為其工藝特點決定了它封裝體積較小, 易于小型化和批量生產, 能夠滿足目前電子產品的自動化發展, 因此得到普遍的應用。但鉭電容受結構問題影響, 容易在大電流下失效;同時, 當選型鉭電容為臨界規格時, 長期可靠性相對較低, 比較容易失效, 這些問題在我們生產使用中都用重點關注。
本文通過對鉭電容的結構、生產工藝和主要性能參數特點入手, 分析了鉭電容常見的失效模式, 并重點模擬長期使用過程中, 由于外界環境條件的變化, 造成鉭電容ESR值變化的問題。這個過程可能持續幾個月甚至幾年直到其徹底失效才會被發現, 也正是由于該過程持續時間長, 所以目前為止在國內外對應這方面的研究還屬于空白。
1 鉭電容的內部結構和主要加工工藝
鉭電容是通過將鉭粉壓制而成, 經高溫燒結成型, 芯片的陽極經過氧化處理表面生產一層五氧化二鉭氧化膜, 再覆蓋一層二氧化錳電解質, 然后在二氧化錳和金屬層中間涂上一層石墨作為過渡, 最后用樹脂把其封裝成為鉭電容。下圖是其內部結構示意圖[1]:
鉭電容內部結構示意圖 ??下載原圖
下面簡單介紹下鉭電容的主要加工工藝[3]:
1.1 陽極設計
目前, 市場上大量使用的貼片鉭電容, 其陽極一般使用鉭粉經一定壓力成型, 然后通過真空高溫固化, 因此鉭粉的質量決定了鉭電容的質量, 沒有好的原材料無法做出高質量的元器件, 后續再精密的加工也無法彌補材料上的缺陷, 所以鉭粉直接決定鉭電容的可靠性。一般影響鉭粉質量的關鍵因素有的顆粒的大小和形狀, 鉭粉的配比以及鉭粉的純度和密度。
1.2 燒結
在鉭粉燒結成型前需加入適量的粘合劑, 這樣保證鉭粉顆粒間不直接接觸, 有效的降低了鉭粉顆粒直接的相互摩擦和損傷, 這樣燒結出的鉭芯更加致命, 質量更高。在燒結后, 粘合劑受高溫影響全部揮發, 這樣原來粘合劑的位置變成了空洞, 有效的提高了鉭芯的氣孔率。較好的燒結工藝對鉭電容的損耗和電容量的提高都有明顯的改善。
1.3 形成氧化膜
鉭芯表面的五氧化二鉭是通過電化學的方法形成的, 在電解液中, 設置合適的電壓和電流, 使鉭芯表面逐漸生產一層致密的氧化膜, 該氧化膜后面電極的制備至關重要, 如果一旦存在空隙, 長期工作下存在可靠性隱患, 沉積速率的控制顯得至關重要。
1.4 陰極
在五氧化二鉭表面上制備Mn O2層作為電解質, 需要對Mn (NO3) 2進行熱分解, 其中包括水汽 (濕式) 或空氣 (干式) 兩種方式, 濕式分解Mn O2較致密度, 相比干式要優越, 目前廠家工藝均用濕式熱分解法。
2 鉭電容關鍵電性能指標
鉭電容的阻抗頻率特性呈現為U形, 這與其它電解電容一樣, 而且鉭電容的ESR值相對與其它電解電容均較小, 但其ESL不像其它電解電容那樣大, 這樣就決定了其區別于其它電解電容的特點, 下面從鉭電容的管腳電性能指標上分析其具有的特性。
2.1 電容量
相同電容量時, 由于鉭電容是固體燒結成型, 所以其體積遠遠小于其它電解電容, 但正是由于其工藝特點, 鉭電容的電容與電壓乘積不能同時增大, 相互矛盾, 所以兩者的乘積受限。
此外, 容量與頻率呈反比, 容量受溫度影響較小, 相對穩定, 即使在極低溫度下, 波動仍小于10%。所以鉭電容在作為濾波元件使用時, 溫度的影響幾乎可以忽略。
2.2 ESR值
從上面內部結構和加工工藝流程可以看出, 鉭電容的ESR值主要由介質電阻和接觸電阻構成, 而接觸電阻又分為兩部分, 總體來說可以把鉭電容的ESR看做是r介+r解+r金, 但實際上還存在一種電阻r L是漏電流電阻, 但其再高頻時幾乎可以忽略。
在低頻段, 主要是r解與r金的影響, 而在較高頻率區域主要是r解的影響。總之, 貼片固體鉭電容的ESR值相對較小, 其范圍在幾十毫歐到10歐姆分之間。
2.3 ESL值
ESL主要受封裝結構影響, 包括封裝尺寸和引線, 所以這樣就決定了鉭電容具有較小的ESL, 其值一般小于3n H。當然, ESL值相對比較穩定, 它不會根據濾波頻率、本身電容量和環境溫度等條件的變化而變化。
3 鉭電容的常見失效模式[6]
目前常見的鉭電容有三種失效模式:電壓型、電流型和發熱型。
電壓型失效是指使用過程中存在不合理工作電壓或浪涌電壓過高, 引起局部打火, 導致介質層擊穿;另外五氧化二鉭層不可能沒有任何缺陷, 如果介質層長期工作在高電壓條件下, 當氧化層的缺陷受高壓作用產生較高的電場強度, 并在局部形成高溫, 則極易產生晶化的現象。當然也不排除氧化層界面上本身存在雜質, 這樣不需要外部條件就能夠誘發晶化, 隨著溫度的逐漸升高, 晶核也不斷在生長, 最終導致氧化膜破裂形成失效。有實驗數據顯示, 晶體生長并最終導致氧化膜破裂的時間與電場強度呈指數函數分布, 即隨著電壓的增加和環境溫度的升高, 晶體逐漸的生長, 生長前期可能對電容器本身特性沒有任何影響, 一旦晶體穿破氧化膜, 鉭電容將徹底失效, 所以該失效在前期不易被發現, 可能失效比率較低, 可隨著時間的延長, 失效率會飛速增加并爆發, 后果不堪設想。
電流型失效主要是鉭電容出現異常的漏電流, 前文我們已經說明, 鉭電容ESR中漏電流電阻可以忽略, 但如果鉭電容氧化膜上的缺陷逐漸惡化, 引起介質層的漏電流增大甚至介質短路, 則漏電流電阻將不能被忽視。雖然鉭電容有一定的自愈性, 這也是其不同于其它電解電容的特點, 當出現一些缺陷形成擊穿時, 鉭電容二氧化錳層會產生變化, 在高溫下形成新的氧化物, 阻礙問題的惡化, 但如果處于過電頻繁的場合, 介質層可能被瞬間擊穿, 無法自愈。
發熱型失效一般是由于產品的損耗太大導致熱失衡, 熱量分布不均勻, 局部熱量較大, 長期累積無法散開, 導致熱破壞。
4 新失效模式的研究
除了上述的失效外, 近期發現了鉭電容一種緩慢失效機理, 該失效與外界溫濕度直接相關, 最終影響鉭電容ESR的變化, 下面我們同加速試驗來進行模擬。
4.1 實驗方法及條件
根據Arrhenius模型[2][4], 我們通過失效時間來反應失效速率, 選取兩個時間點, 一個失效時間設定為30天, 一個為7天, 通過加速因子來計算所需要的實驗溫度。
Ea:失效激活能, 設為常數0.67e V;
K:玻爾茲曼常數, 8.62*10-5e V/K;
Tnormal:實際使用的絕對溫度, 我們設定為85℃;
Tstress:實驗的絕對溫度。
通過計算, 兩個加速實驗溫度設定為120℃和180℃, 同時為了證明單獨的高溫不會造成鉭電容ESR值的變化, 我們增加了實驗三, 具體實驗見表1:
表1 不同溫度對鉭電容ESR值的影響
4.2 實驗結果及討論
單獨的高溫對鉭電容ESR值的變化幾乎沒有作用, 而當加入一定量的濕度后, 鉭電容ESR值的變化速率在兩個溫度下截然不同, 120℃條件下鉭電容25天失效, 180℃條件下鉭電容9天失效, 基本和我們理論計算的結果一致, 而且同一溫度下變化速率也不是固定的, 隨著鉭電容ESR值的增大, 變化速率也逐漸增大。
那么問題來了, 溫度是在具備一定濕度條件下才對鉭電容ESR值產生影響的, 那多大的濕度才能達到影響鉭電容的程度呢?濕度對鉭電容ESR值的增大有加速作用嗎?我們再看下面的實驗
4.3 濕度對鉭電容的影響
我們把環境溫度固定在180℃, 鉭電容放置在一個體積為7*10-6m3的密閉容器內, 并在其內部加入不同重量的水, 根據水蒸氣飽和蒸汽壓對照表[5], 計算該體積內在180℃達到飽和濕度下的絕對水份含量為54mg, 我們在其飽和濕度下設定幾個濕度點, 具體見表2:
表2 不同濕度對鉭電容ESR值的影響
通過實驗發現, 當濕度小于15%時, 鉭電容ESR值幾乎不變, 而當濕度大于15%時, 鉭電容ESR值會成倍的上漲, 但即使濕度再加大, 也不會加速鉭電容ESR值的變化。
5 鉭電容ESR增大后對電源濾波的影響
給鉭電容施加一定的交流電壓, 電流將按徑向流動, 其導電模型如下圖所示可看作為在氧化膜微孔內的、無數微小的、由電解質組成的微小電阻和電容量構成, 即由分布參數RC組成的導電網絡, ESR的變化實際是內部等效R的變化, 并將影響電源濾波。
6 結論
作為表貼元件, 雖然鉭電容具有ESR相對較小, 安裝方便且易于加工和較寬的頻率使用范圍。但其存在的各種失效模式也不容我們忽視, 尤其表現在可靠性過程中, 鉭電容ESR值長期緩慢的變化, 在廠家的檢測過程中極難發現, 這也是到目前為止國內外沒有關于這方面報道的主要原因。