1 引言
國內(nèi)外片式鉭電容器的可靠性評估項(xiàng)目中均在溫度循環(huán)試驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了較多的循環(huán)次數(shù), 其中國家宇航標(biāo)準(zhǔn)中YA級產(chǎn)品要求100次循環(huán), YB級產(chǎn)品要求50次循環(huán)。國內(nèi)研制單位普遍認(rèn)為由于其熱膨脹系數(shù)不同, 循環(huán)次數(shù)過多, 會對電容器介質(zhì)氧化膜造成損傷, 導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生短路、漏電流超限等現(xiàn)象。本文將結(jié)合宇航用片式鉭電容器詳細(xì)規(guī)范驗(yàn)證工作對片式鉭電容器溫度循環(huán)試驗(yàn)以HALT、STEP的試驗(yàn)方式累積試驗(yàn)數(shù)據(jù), 并分析溫度循環(huán)試驗(yàn)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(zhì)層缺陷, 從而導(dǎo)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(huán)試驗(yàn)中, 由于Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數(shù)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(dǎo)致介質(zhì)氧化膜劣化, 值得我們?nèi)パ芯俊?/p>
2 片式鉭電容器結(jié)構(gòu)
片式鉭電容器主要結(jié)構(gòu):由鉭粉芯、陽極鉭絲、陽極引出片構(gòu)成電容器的陽極;由Mn O2、石墨、銀漿、陰極引出片構(gòu)成電容器的陰極;介質(zhì)層為鉭粉芯表面通過電化學(xué)反應(yīng)生成Ta2O5膜。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 片式鉭電容器結(jié)構(gòu)示意圖
在片式鉭電容器生產(chǎn)過程中, 首先將鉭粉進(jìn)行燒結(jié), 形成鉭塊, 由鉭絲引出, 正極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成Ta2O5介質(zhì)層。再在介質(zhì)層外部通過硝酸錳溶液進(jìn)行反應(yīng)在Ta2O5介質(zhì)層外部生成Mn O2作為陰極。
3 晶體熱膨脹
Ta2O5與Mn O2都屬于離子晶體化合物, 在化學(xué)實(shí)用手冊中沒有化合物的熱膨脹系數(shù), 但根據(jù)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(shù)U (r) , 故無法確定熱膨脹系數(shù)。由于Ta2O5與Mn O2都屬于離子晶體化合物離子鍵, 本質(zhì)上是一種靜電效應(yīng), 對晶格具有束縛作用。正、負(fù)離子間的靜電作用越強(qiáng), 生成的離子鍵也愈強(qiáng)。固體物理中, 離子勢表示離子鍵的強(qiáng)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(qiáng), 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(shù)與 (電價(jià)/配位數(shù)) 2成反比, Ta2O5電價(jià)為5, 配位數(shù)為8, 故其熱膨脹系數(shù)約為2.94×10-6/℃;Mn O2電價(jià)為4, 配位數(shù)為6, 故其熱膨脹系數(shù)約為2.25×10-6/℃。
可見Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數(shù)在同一數(shù)量級內(nèi), 差別甚小 (一般晶體熱膨脹系數(shù)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(shí)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(huán)試驗(yàn)過程中180℃的溫差而言, 由于熱膨脹產(chǎn)生的形變量180α, 對于片式鉭電容器介質(zhì)氧化膜產(chǎn)生的影響也較小。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
對于Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數(shù)的定性分析完成以后, 我們將通過試驗(yàn)驗(yàn)證分析的結(jié)果。對于熱膨脹系數(shù)的考核, 主要采用《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》中溫度循環(huán)試驗(yàn), 在參考了國內(nèi)外的相關(guān)試驗(yàn)后, 采用HALT、STEP試驗(yàn)?zāi)J? 對于溫度循環(huán)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件作了相應(yīng)的調(diào)整。以下為我們對于熱膨脹系數(shù)考核的具體試驗(yàn)方案。
4.1 試驗(yàn)方案
該試驗(yàn)主要通過兩種方式 (見圖2) 來驗(yàn)證鉭電容器熱匹配性問題, 第一種為HALT試驗(yàn), 該試驗(yàn)通過極限模式對樣品進(jìn)行考核, 并進(jìn)行失效分析。另一種是STEP試驗(yàn), 該試驗(yàn)通過步進(jìn)試驗(yàn)強(qiáng)度考核樣品, 并進(jìn)行失效分析。

圖2 熱學(xué)環(huán)境試驗(yàn)方案
4.2 需要說明的問題
(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(yàn), 導(dǎo)致有明顯變化的數(shù)值。
(2) 在進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)前, 所有的樣品需進(jìn)行額定電壓, 48小時的老煉試驗(yàn), 在試驗(yàn)前剔出本身存在缺陷的樣品, 保證在進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)時, 僅有該試驗(yàn)產(chǎn)生的缺陷, 而不引入其他缺陷。
4.3 試驗(yàn)類型
HALT試驗(yàn)是故障激發(fā)類試驗(yàn), 利用高溫度應(yīng)力、振動應(yīng)力、溫度循環(huán)應(yīng)力及電壓拉偏應(yīng)力, 在短時間內(nèi)激發(fā)出產(chǎn)品潛在缺陷, 為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在本文中, HALT試驗(yàn), 對于試驗(yàn)方案中除200次溫度循環(huán)試驗(yàn), 如在200次溫度循環(huán)試驗(yàn)中有1只樣品失效, HALT試驗(yàn)結(jié)束, 且每10次記錄一次數(shù)據(jù), 可看出隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加, 電容器電性能的變化。
STEP試驗(yàn)為步進(jìn)試驗(yàn), 有兩種形式, 一種模式為每次逐步增加試驗(yàn)應(yīng)力考核產(chǎn)品;第二種模式為通過施加相同應(yīng)力多次考核產(chǎn)品, 以上兩種形式均可以達(dá)到遞增試驗(yàn)應(yīng)力的目的。本文采用第二種形式, 通過對樣品進(jìn)行試驗(yàn)組循環(huán), 步進(jìn)試驗(yàn)壓力, 觀察樣品參數(shù)變化化的趨勢。如在試驗(yàn)中出現(xiàn)不合格樣品, 將對樣品剔除后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。
本文中將以30次溫度循環(huán)試后進(jìn)行額定電壓、48小時老煉試驗(yàn)為一個周期, 進(jìn)行3次周期。在于通過老煉試驗(yàn), 將溫度循環(huán)后暴露的缺陷進(jìn)行放大處理, 這是考慮到由于Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數(shù)比較接近, 僅通過溫度循環(huán)不足以表現(xiàn)出氣溫度系數(shù)的差異。
通過STEP、HALT試驗(yàn), 能全面地得出Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數(shù)匹配性。
4.4 試驗(yàn)樣品
本次試驗(yàn)選取了CAK45型有失效率等級的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn), 該系列產(chǎn)品是應(yīng)用最廣泛的片式鉭電容器。試驗(yàn)樣品清單見表1。

表1 試驗(yàn)樣品清單
5 試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果說明:鉭電容器漏電流實(shí)際測量值一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定數(shù)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(jù), 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(yàn)結(jié)果及STEP試驗(yàn)結(jié)果。
在HALT試驗(yàn)結(jié)果中, 200次溫度循環(huán)試驗(yàn)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(yàn)普篩后的參數(shù)。在該試驗(yàn)中已有一支失效, 但為得到完整數(shù)據(jù), 繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。STEP試驗(yàn)主要是溫度循環(huán)加老煉試驗(yàn), 步進(jìn)相同應(yīng)力, 達(dá)到應(yīng)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(yàn)普篩后的參數(shù), 第三次為30次溫度循環(huán)后的數(shù)據(jù), 第四次為48小時老煉試驗(yàn)后的數(shù)據(jù), 第五次為累積60次溫度循環(huán)后的數(shù)據(jù), 依次類推, STEP試驗(yàn)一共進(jìn)行累積90次溫度循環(huán)及144小時老煉試驗(yàn)。
5.1 容量變化
圖3為HALT試驗(yàn)中容量變化結(jié)果, 可見24支樣品均無任何變化, 曲線在200次循環(huán)中呈現(xiàn)出一直線, 變化量均沒有超過初始值的5%。圖4為STEP試驗(yàn)中容量變化結(jié)果, 可見24支樣品均無任何變化, 曲線呈現(xiàn)一直線, 變化量均沒有超過初始值的5%。

圖3 HALT試驗(yàn)中3組和4組容量變化 ?圖4 STEP試驗(yàn)中3組和4組容量變化
5.2 損耗變化
圖5為HALT試驗(yàn)中損耗變化結(jié)果, 可見樣品變化趨勢一般在開始時損耗都較大, 隨著循環(huán)次數(shù)的增加, 損耗大致略有下降, 可能是由于初測時, 在生產(chǎn)廠老煉后仍存在極化現(xiàn)象, 在溫度循環(huán)去老練, 故初始值較大。圖6為STEP試驗(yàn)中損耗變化結(jié)果, 可見樣品的變化均不大。

圖5 HALT試驗(yàn)中3組和4組損耗變化 ?圖6 STEP試驗(yàn)中3組和4組損耗變化
5.3 漏電流變化
圖7為HALT試驗(yàn)中漏電流變化結(jié)果, 可見漏電流變化較為穩(wěn)定。圖8為STEP試驗(yàn)中漏電流變化結(jié)果, 樣品僅在第一次進(jìn)行30次溫度循環(huán)后的數(shù)據(jù)略有變大, 在其后的循環(huán)試驗(yàn)中參數(shù)又略有恢復(fù), 僅3組中有一支樣品在溫度循環(huán)及老煉后, 漏電流逐漸增大。

圖7 HALT試驗(yàn)中3組和4組漏電流變化
5.4 等效串聯(lián)電阻 (ESR) 變化
圖9為HALT試驗(yàn)中ESR變化結(jié)果, 可見ESR初測時數(shù)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(chǎn)品在生產(chǎn)廠老煉后仍存在極化現(xiàn)象有關(guān), 在后續(xù)200次溫度循環(huán)中沒有大的變化。圖10為STEP試驗(yàn)中ESR變化結(jié)果, ESR變化趨勢與HALT組試驗(yàn)變化趨勢一致。

圖8 STEP試驗(yàn)中3組和4組漏電流變化 ?圖9 HALT試驗(yàn)中3組和4組ESR變化

圖1 0 STEP試驗(yàn)中3組和4組ESR變化
5.5 試驗(yàn)總結(jié)
在HALT試驗(yàn)中200次溫度循環(huán)試驗(yàn)試驗(yàn)后可以看出, 鉭電容器各項(xiàng)性能指標(biāo)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(huán)并不會對產(chǎn)品產(chǎn)生破壞性影響。在STEP試驗(yàn)中可以看出, 鉭電容器的漏電流會隨著STEP的循環(huán)次數(shù)增加而略有增大, 其他電性能參數(shù)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(chǎn)品, STEP試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。對于本身存在缺陷的產(chǎn)品, 通過在溫度循環(huán)試驗(yàn)后設(shè)置老煉試驗(yàn), 能將溫度循環(huán)試驗(yàn)中可能暴露的缺陷進(jìn)一步放大。
通過以上試驗(yàn), 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(chǎn)品能耐受本文所設(shè)置的HALT試驗(yàn)及STEP試驗(yàn)。
6 結(jié)語
通過理論及HALT及STEP試驗(yàn)分析, 采用工程近似方法, 得出離子晶體熱膨脹系數(shù), 與實(shí)際比較結(jié)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(shù)進(jìn)行分析研究。通過試驗(yàn)證明了Ta2O5與Mn O2的熱膨脹系數(shù)較為接近, 符合文中理論推導(dǎo)。
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(shù)不同, 溫度循環(huán)試驗(yàn)有其必要性, 但由于Ta2O5與Mn O2的熱膨脹系數(shù)其匹配性較好, 對于本身不存在缺陷的產(chǎn)品, 在進(jìn)行200次的溫度循環(huán)試驗(yàn), 不會對產(chǎn)品本身產(chǎn)生破壞作用。故新頒布的國宇標(biāo)中YA級產(chǎn)品要求100次循環(huán), YB級產(chǎn)品要求50次循環(huán), 對于本身不存在缺陷的產(chǎn)品不具有破壞性作用。