國內外片式鉭電容器的可靠性評估項目中均在溫度循環試驗環節設計了較多的循環次數, 其中國家宇航標準中YA級產品要求100次循環, YB級產品要求50次循環。國內研制單位普遍認為由于其熱膨脹系數不同, 循環次數過多, 會對電容器介質氧化膜造成損傷, 導致產品發生短路、漏電流超限等現象。本文將結合宇航用片式鉭電容器詳細規范驗證工作對片式鉭電容器溫度循環試驗以HALT、STEP的試驗方式累積試驗數據, 并分析溫度循環試驗對片式鉭電容器可靠性的影響。

從日常累積的片式鉭電容器失效案例可以看出, 主要的失效原因是介質層缺陷, 從而導致鉭陽極與二氧化錳陰極之間形成電流通道。而在溫度循環試驗中, 由于Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數不同, 在溫度急劇變化的過程中, 兩種材料的熱膨脹匹配性是否會導致介質氧化膜劣化, 值得我們去研究。

片式鉭電容器主要結構:由鉭粉芯、陽極鉭絲、陽極引出片構成電容器的陽極;由Mn O2、石墨、銀漿、陰極引出片構成電容器的陰極;介質層為鉭粉芯表面通過電化學反應生成Ta2O5膜。其結構如圖1所示。

在片式鉭電容器生產過程中, 首先將鉭粉進行燒結, 形成鉭塊, 由鉭絲引出, 正極發生電化學反應形成Ta2O5介質層。再在介質層外部通過硝酸錳溶液進行反應在Ta2O5介質層外部生成Mn O2作為陰極。

Ta2O5與Mn O2都屬于離子晶體化合物, 在化學實用手冊中沒有化合物的熱膨脹系數, 但根據固體理論, 由于無法確定Ta2O5與Mn O2的某一溫度下的勢能函數U (r) , 故無法確定熱膨脹系數。由于Ta2O5與Mn O2都屬于離子晶體化合物離子鍵, 本質上是一種靜電效應, 對晶格具有束縛作用。正、負離子間的靜電作用越強, 生成的離子鍵也愈強。固體物理中, 離子勢表示離子鍵的強弱, 離子勢的定義為離子電荷Z與其離子半徑R之比, 離子勢越大, 離子鍵越強, 晶格振動后偏離平衡位置的幾率越小;離子勢越小, 離子鍵越弱, 晶格振動后偏離平衡位置的幾率越大。故工程上近似熱膨脹系數與 (電價/配位數) 2成反比, Ta2O5電價為5, 配位數為8, 故其熱膨脹系數約為2.94×10-6/℃;Mn O2電價為4, 配位數為6, 故其熱膨脹系數約為2.25×10-6/℃。

可見Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數在同一數量級內, 差別甚小 (一般晶體熱膨脹系數范圍在10-6~10-2) , 且對于Ta2O5膜層厚度及Mn O2膜層厚度而言, 其實際膨脹尺寸非常小, 表明Ta2O5與Mn O2的熱膨脹匹配性較好。且對于溫度循環試驗過程中180℃的溫差而言, 由于熱膨脹產生的形變量180α, 對于片式鉭電容器介質氧化膜產生的影響也較小。

對于Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數的定性分析完成以后, 我們將通過試驗驗證分析的結果。對于熱膨脹系數的考核, 主要采用《電子及電氣元件試驗方法》中溫度循環試驗, 在參考了國內外的相關試驗后, 采用HALT、STEP試驗模式, 對于溫度循環試驗的試驗條件作了相應的調整。以下為我們對于熱膨脹系數考核的具體試驗方案。

該試驗主要通過兩種方式 (見圖2) 來驗證鉭電容器熱匹配性問題, 第一種為HALT試驗, 該試驗通過極限模式對樣品進行考核, 并進行失效分析。另一種是STEP試驗, 該試驗通過步進試驗強度考核樣品, 并進行失效分析。

(1) 缺陷定義。片式鉭電容器由于材料、本身存在一定缺陷, 如漏電流等, 這并不是本文所指的缺陷, 本文中缺陷指的是通過試驗, 導致有明顯變化的數值。

(2) 在進行溫度循環試驗前, 所有的樣品需進行額定電壓, 48小時的老煉試驗, 在試驗前剔出本身存在缺陷的樣品, 保證在進行溫度循環試驗時, 僅有該試驗產生的缺陷, 而不引入其他缺陷。

HALT試驗是故障激發類試驗, 利用高溫度應力、振動應力、溫度循環應力及電壓拉偏應力, 在短時間內激發出產品潛在缺陷, 為產品的優化設計提供依據。在本文中, HALT試驗, 對于試驗方案中除200次溫度循環試驗, 如在200次溫度循環試驗中有1只樣品失效, HALT試驗結束, 且每10次記錄一次數據, 可看出隨著溫度循環次數的增加, 電容器電性能的變化。

STEP試驗為步進試驗, 有兩種形式, 一種模式為每次逐步增加試驗應力考核產品;第二種模式為通過施加相同應力多次考核產品, 以上兩種形式均可以達到遞增試驗應力的目的。本文采用第二種形式, 通過對樣品進行試驗組循環, 步進試驗壓力, 觀察樣品參數變化化的趨勢。如在試驗中出現不合格樣品, 將對樣品剔除后繼續進行試驗。

本文中將以30次溫度循環試后進行額定電壓、48小時老煉試驗為一個周期, 進行3次周期。在于通過老煉試驗, 將溫度循環后暴露的缺陷進行放大處理, 這是考慮到由于Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數比較接近, 僅通過溫度循環不足以表現出氣溫度系數的差異。

通過STEP、HALT試驗, 能全面地得出Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數匹配性。

本次試驗選取了CAK45型有失效率等級的產品進行試驗, 該系列產品是應用最廣泛的片式鉭電容器。試驗樣品清單見表1。

試驗結果說明:鉭電容器漏電流實際測量值一般遠遠小于規定數值, 故依次界定失效與否范圍較寬, 本文以超出三倍初測值作為失效判據, 依次判斷鉭電容器失效與否。由于篇幅有限本文僅列舉了一組HALT試驗結果及STEP試驗結果。

在HALT試驗結果中, 200次溫度循環試驗圖表均有22個值, 第一次為初始值, 第二次為48小時老煉試驗普篩后的參數。在該試驗中已有一支失效, 但為得到完整數據, 繼續進行試驗。STEP試驗主要是溫度循環加老煉試驗, 步進相同應力, 達到應力累加的效果。其中第一次為初始值, 第二次為48小時老煉試驗普篩后的參數, 第三次為30次溫度循環后的數據, 第四次為48小時老煉試驗后的數據, 第五次為累積60次溫度循環后的數據, 依次類推, STEP試驗一共進行累積90次溫度循環及144小時老煉試驗。

圖3為HALT試驗中容量變化結果, 可見24支樣品均無任何變化, 曲線在200次循環中呈現出一直線, 變化量均沒有超過初始值的5%。圖4為STEP試驗中容量變化結果, 可見24支樣品均無任何變化, 曲線呈現一直線, 變化量均沒有超過初始值的5%。

圖5為HALT試驗中損耗變化結果, 可見樣品變化趨勢一般在開始時損耗都較大, 隨著循環次數的增加, 損耗大致略有下降, 可能是由于初測時, 在生產廠老煉后仍存在極化現象, 在溫度循環去老練, 故初始值較大。圖6為STEP試驗中損耗變化結果, 可見樣品的變化均不大。

圖7為HALT試驗中漏電流變化結果, 可見漏電流變化較為穩定。圖8為STEP試驗中漏電流變化結果, 樣品僅在第一次進行30次溫度循環后的數據略有變大, 在其后的循環試驗中參數又略有恢復, 僅3組中有一支樣品在溫度循環及老煉后, 漏電流逐漸增大。

圖9為HALT試驗中ESR變化結果, 可見ESR初測時數值比較大, 在普篩后大部分都有所下降, 這一原因可能還是和產品在生產廠老煉后仍存在極化現象有關, 在后續200次溫度循環中沒有大的變化。圖10為STEP試驗中ESR變化結果, ESR變化趨勢與HALT組試驗變化趨勢一致。

在HALT試驗中200次溫度循環試驗試驗后可以看出, 鉭電容器各項性能指標并沒有明顯變化, 由此可知其Ta2O5與Mn O2的熱膨脹匹配性較好, 200次的溫度循環并不會對產品產生破壞性影響。在STEP試驗中可以看出, 鉭電容器的漏電流會隨著STEP的循環次數增加而略有增大, 其他電性能參數都無明顯變化, 由此可知其Ta2O5與Mn O2的熱膨脹匹配性較好, 對于本身不存在缺陷的產品, STEP試驗數據較為穩定。對于本身存在缺陷的產品, 通過在溫度循環試驗后設置老煉試驗, 能將溫度循環試驗中可能暴露的缺陷進一步放大。

通過以上試驗, 片式鉭電容器的Ta2O5與Mn O2的熱膨脹匹配性較好, 對于本身不存在缺陷的產品能耐受本文所設置的HALT試驗及STEP試驗。

通過理論及HALT及STEP試驗分析, 采用工程近似方法, 得出離子晶體熱膨脹系數, 與實際比較結果一致, 故采用該方法也可對其他離子晶體材料的熱膨脹系數進行分析研究。通過試驗證明了Ta2O5與Mn O2的熱膨脹系數較為接近, 符合文中理論推導。

其次本文中片式鉭電容器中Ta2O5與Mn O2由于材料不同, 其熱膨脹系數不同, 溫度循環試驗有其必要性, 但由于Ta2O5與Mn O2的熱膨脹系數其匹配性較好, 對于本身不存在缺陷的產品, 在進行200次的溫度循環試驗, 不會對產品本身產生破壞作用。故新頒布的國宇標中YA級產品要求100次循環, YB級產品要求50次循環, 對于本身不存在缺陷的產品不具有破壞性作用。