钽电容失效分析研究_李建华.pdf

dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术60|钽电容失效分析研究李建华，钟地长（通信作者），刘昌健，胡逸，游彬江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西南昌，330000摘要：本文介绍了钽电容的基本结构和制造工艺，并深入剖析了钽电容的常见失效模式和失效机理。通过一些技术手段结合钽电容失效的内外因分析，寻找钽电容失效的根本原因，重点对钽电容失效进行了分析归纳，提出了一些预防措施，为今后钽电容的设计、制造和应用等方面的改进提供了可靠依据。关键词：失效模式；失效机理；分析技术；预防措施中图分类号:TM53文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.014 0引言钽是一种金属元素，具有很好的化学稳定性，还具有熔点高、热膨胀系数小、抗腐蚀能力极强和强度良好等性能。金属钽所具有的特性，使它的应用领域十分广阔1。在电子工业中，金属钽用于电解电容制造，在许多方面优于其他电解电容，因其体积小且容值大的特点通常用于加工成小型及片状的元器件，在集成电子产品上得到了广泛的应用。钽电解电容通常应用于电路滤波部分，具有寿命长、耐高温、高容量的特性。虽然钽电解电容在许多方面优于其他电解电容，但也无法避免其自身内因和外界因素影响，导致产品使用过程中频繁失效。特别是当前对钽电容可靠性要求越来越高的背景下2，对于钽电解电容的失效分析并寻找根本原因就显得尤为重要，以此来改善和提高钽电解电容在生产和应用中的可靠性3。1钽电容的基本结构和制造工艺目前钽电解电容器主要有烧结型固体钽电容、箔形卷绕固体钽电容、烧结型液体钽电容等三大类，其中固体钽电容器最为常见，生产量占总体的95%以上。本文以固体钽电容为例。1.1固体钽电容基本结构固体钽电容典型剖面结构如图1所示。将纯净的钽粉压制成型，经过高温真空炉中高温烧结成钽芯作为钽电容的阳极，将钽芯放入稀硝酸以电化学方法进行赋能，形成具有单向导电性和整流特性的五氧化二钽（Ta2O5）介质膜，生成的Ta2O5介质氧化膜是一个多孔性非晶型的结构。再将其浸入硝酸锰溶液，硝酸锰与Ta2O5在高温作用下发生化学反应，形成的二氧化锰（MnO2）介质作为钽电容的阴极，然后通过石墨银浆引出来，石墨作为缓冲层，既减小了等效串联电阻（EquivalentSeriesResistance，ESR），又可以防止MnO2直接接触银浆发生氧化。银涂是为了给阴极提供等电位接触表面，能够收集电容器充放电过程的移动电子，且利于和引线框架连接。最后用环氧树脂浇灌密封成型。图 1固体钽电容器的典型剖面结构作者简介：李建华，男，博士，高级工程师，研究方向：微电子与固体电子学、集成电路设计及图像处理算法；钟地长，男，硕士，工程师，研究方向：电子电路设计、嵌入式硬件设计；刘昌健，男，硕士，工程师，研究方向：电子电路设计、伺服驱动及控制。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|61电子元器件与材料1.2钽电容制造工艺在固体钽电容器的结构组成中，主要结构材料是钽芯、介质膜Ta2O5层、电解质MnO2层、封装材料等。钽芯是由高纯度钽粉通过机械压制成型，然后经过高温烧结得到，这一步制造工艺影响着后续氧化膜形成的优劣，因而影响最终成品的各项性能指标。固体钽电容整个制造工艺流程如图2所示。图 2固体钽电解电容器的制作工艺流程钽粉的纯度能在很大程度上影响钽电容的可靠性，一般高纯度钽粉烧结后，会形成一个多孔状结构的钽芯，并且具有很大的表面积。通过电化学的方法使得钽芯表面上形成Ta2O5介质膜，由此可获得较大的电容量。把钽芯中一起成型、烧结的钽丝通过点焊的方式连接到焊片作为阳极。作为电容器的介质氧化层Ta2O5，它具有单向导电的性能，且对电容器电容量、漏电流以及使用寿命等可靠性指标起决定性作用。钽电容电解质为硝酸锰溶液，将钽芯形成的介质氧化膜Ta2O5浸入硝酸锰，直到Ta2O5介质氧化膜内部及间隙都充满电解质溶液，电解质溶液经高温分解形成的MnO2作为钽电容的阴极，然后通过石墨银浆引出来。这道工序生成的MnO2介质层，同样对钽电容器的ESR、损耗角正切、频率特性以及温度特性等性能指标有诸多的影响。钽电容器的钽芯和电介质层等使用环氧树脂材料进行密封和定型。该结构材料易受外界应力影响使得材料热膨胀系数不同，进而引起不同程度机械损伤。尤其是受温度冲击和模压后残余应力的影响。经过环氧树脂模塑包封和喷涂后，使其成为具有一定外观尺寸的形体，并去除多余溢料和毛刺，然后打印产品的标称容量、额定电压和阳极标识等，方便后续的电性能测试和老化筛选。最后对产品电特性能四参数（容值、损耗、漏电流及ESR）进行测试，剔除不合格产品。同时产品抽样进行回流焊检验并试验，保证产品性能参数与理论值基本一致。由此完成了钽电容生产的整个制造流程。2钽电容的失效分析及方法当钽电容功能出现局部或完全失效、间歇性失效或参数漂移的情况，都可以认定为钽电容器失效。失效分析目的就是要明确产品失效机理，查找失效的原因，并提出改进预防措施，从而提升产品的可靠性4。2.1钽电容的失效模式钽电容失效模式可分为两大类：一是功能性失效；二是参数漂移失效。功能性失效是致命失效，主要有开路、短路。参数漂移失效主要有漏电流增大、电容量变化超差、损耗和ESR增大等5。由于钽电容具有“自愈”的能力，电特性相对稳定，极少出现因参数变化引起的失效故障，且大部分的失效故障表现为过压冲击、反向电压、过功耗等现象。据失效数据统计，钽电容的主要失效模式是短路，开路失效情况也较少。这里说的“自愈”能力是指当钽芯存在瑕疵，导致该瑕疵区漏电流增加，从而引起发热，当问题累积达到5001000以上，会使MnO2还原成Mn3O4，由于Mn3O4的电阻率比MnO2高很多，这就加强了阴极与阳极之间介质层的电隔离作用，能够防止氧化膜进一步损坏，因此钽电容具有自愈修复的能力。2.2钽电容的失效机理本文从钽电容常见的两大失效模式来展开失效机理的分析。失效机理是失效发生的内在本质，包括电容的物理变化和化学变化6，如过电烧毁、静电损伤、金属电子迁移、金属的电化学腐蚀、颗粒引发短路、介质击穿等。2.2.1功能性失效机理（1）短路击穿失效。钽电容器的短路击穿dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术62|失效机理为：电容器中的介质氧化膜Ta2O5存在缺陷（氧化膜疵点过大、过多或电容器受到过应力而使得氧化膜受到损伤），当持续上电工作，缺陷的氧化膜漏电流增大，导致热量迅速聚集，在此条件下阴极端的MnO2经过高温热分解发生化学变化，并会释放氧气，其化学反应公式如下：MnO2Mn3O4+O2（1）当氧气通过介质氧化膜裂缝或空隙与阳极钽芯接触，与钽粉直接发生燃烧现象，如图3所示。图 3二氧化锰电介质化学反应示意图根据通电失效过程燃烧反应的剧烈程度，钽电容器外形可能的几种情况为：外形完好、局部烧伤、严重烧毁或炸裂，在性能上体现为短路或开路。（2）开路导致的失效。钽电容器开路失效机理分为两种情况，一种为短路击穿后剧烈燃烧后使得内部断开形成开路，其机理同短路击穿机理；另外一种为内部连接出现开路现象，主要原因为：阳极接触不良或阴极接触不良在使用过程中受到应力冲击后，形成开路，该情况发生的概率极低。2.2.2参数漂移失效机理参数漂移包括ESR增大、电容量变化超差、漏电流增大等，其中主要以ESR增大对使用过程线路功能影响最大。最常见的情况为产品在焊接上板后ESR增大，导致电容器不能满足线路滤波功能。（1）ESR增大。在过高交流纹波的滤波电路，如果使用钽电容器的ESR过高，即便是采用降额设计，在上电使用瞬间还是会发生电击穿现象，这是因为电容器的ESR和电路交流纹波大小出现严重不匹配现象导致的。但是如果电路的交流纹波超过钽电容交流纹波值最大值，这时就会出现热致击穿现象。（2）漏电流增大。如果钽电容出现漏电流增大，很有可能是由于介质层的绝缘电阻偏低引起。有些生产商没有严格做好工艺管控，生产的钽电容工作在室温下漏电流就有些偏差。当工作在较高温度环境下，其漏电流则会成指数倍增加，进而导致钽电容的耐压值下降，高温环境下出现击穿现象。因此，漏电流这一指标对钽电容的可靠性起到决定性作用7。2.3钽电容失效原因分析钽电容器失效由制造材料质量问题、工艺缺陷问题、设计不合理问题以及环境应力条件问题等引起。这是内因和外因共同作用引起的失效，内因是其材料、结构中一系列物理、化学变化；外因是环境应力、电应力、机械应力、人为因素等等。导致钽电容器发生失效主要原因归纳如下。（1）本身氧化膜存在瑕疵。由于钽电容器在生产过程中，介质氧化膜或多或少都存在一些疵点（晶化点），电容器在生产过程中及生产后均需要进行筛选试验，使生产过程中存在早期失效隐患的产品得以剔除。但由于筛选试验的局限性，可能出现极个别氧化膜存在较小晶化点的产品在经过筛选后，虽然晶化点扩大但并未导致产品失效，当产品使用过程中继续经受环境变化应力，随着通电时间的增加，在电场的作用下晶化点继续扩大而最终失效。（2）受到温度应力冲击而失效。当产品外界环境温度升高时，热量会从产品表面往内传递，对钽电容器芯块产生热应力冲击。另外当产品外界环境温度变化时，由于不同材料膨胀系数的差异，芯块内部会产生机械应力，对氧化膜产生挤压作用。热应力和机械应力冲击都可能导致产品氧化膜受到损伤，最终在电场作用下产品击穿失效。（3）受到电压冲击而失效。钽电容器受到 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|63电子元器件与材料反向电压或较大浪涌电压的冲击后会导致介质膜的局部破坏，引起炸裂甚至闪火，最终导致电容器击穿失效。（4）受到电流冲击而失效。电流冲击主要表现为上电和断电瞬间浪涌电流冲击，当超过其所能承受的电流冲击范围，电介质氧化膜就会受到破坏。特别是在持续加电工作过程中，符合高温热分解条件后，发生化学变化导致介质氧化膜击穿，氧气就会穿过电介质氧化膜层与阳极的钽芯接触，发生高温燃烧现象，甚至出现爆炸起火。而反向电压冲击失效也与此原因类似。（5）受纹波电流发热而失效。由于纹波电流存在，电容器会产生有功功率损耗，而其功率损耗大小取决于工作过程线路纹波电流的大小及产品等效串联电阻的大小。在正常工作状态下，产生的消耗功率以热形式通过电容器表面散发，保持温度稳定，当电容器本身温度耗散较慢，而有功功率损耗较快时，电容器内部会聚集热量，自身温度会随之逐步升高，在高温下产品内部氧化膜受到破坏使得产品漏电流增大，漏电流产生的热量使电容器自身温度进一步升高，形成恶性循环，在长期高温下产品氧化膜受到破坏最终导致产品击穿失效。（6）用户使用不当导致的失效。许多用户往往只注重钽电容器性能的选择设计，而对钽电容器安装使用时容易出现的问题不够重视。例如：不预热就进行手工焊接钽电容；或直接使用高于330的电烙铁焊接，且长时间对钽电容加热，导致钽电容受到高温冲击而失效。3钽电容失效预防措施根据前面的钽电容器失效分析情况，本文从设计、材料工艺以及应用上对钽电容失效提出预防和改进措施。3.1设计上的预防在设计上主要从电压、电流、热设计和功耗等几个方面进行考虑8。可通过以下改进措施来提高钽电容的可靠性。（1）电压设计。钽电容在低阻抗电路中，特别是开关电源电路中电压至少降额为1/3额定电压值，其他电路使用建议降额至50%以下甚至1/3。在上下电较快的输入端处不建议使用固体钽电容；低压但上下电较快的电路中需要采取缓启动电路，尽量不采用固体钽电容。（2）电流处理。纹波电流通过钽电容ESR产生有功功耗，进而导致电容器自身温度升高，导致热击穿失效，所以钽电容器不应长期使用于交流分量大或纯交流电路中。电路设计中对于大电流对钽电容的冲击保护，一般建议使用串联阻值大于3/V的电阻来缓解大电流冲击，将电流限流在300mA以下来提高钽电容的可靠性9。固体钽电容一般不耐大电流持续冲击，建议大电流电路设计尽量避免使用，特别是频繁充放电的电路中，容易在氧化膜Ta2O5的薄弱区域发热促使氧化膜晶化发生，并降低耐压能力。3.2材料工艺上的预防（1）固体钽电容钽芯是用钽粉压制而成，因此钽粉的纯度是工艺上预防的一个重要因素10，钽粉纯度的高低直接影响电解质强度的大小，也决定着能否承受更高电流的冲击。如果纯度过低，则容易被大电流击穿。（2）MnO2电介质层应避免表面不平坦或多孔，引起密度的不均匀。如果密度不均匀，当电流流过密度小的区域，就承受了较大的功率，进而引发更高概率的失效。（3）固体钽电容的钽芯的密封材料使用的是环氧树脂，当钽电容长时间受到热冲击或高温环境下，热应力通过钽电容阳极片进入钽粉区域，钽粉受到热冲击导致容量参数的变化。3.3应用上的预防（1）固体钽电容在焊接方面的预防。使用厂家推荐的烧焊温度曲线，焊接过程中尽量避免使用酸碱性强、活性大的助焊剂，防止助焊剂渗透、腐蚀和扩散，造成钽电容的损伤。建议任何型号的钽电容器重复焊接不能超过两次，且更换dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术64|的钽电容尽量不做二次焊接使用，手工焊接建议温度在280330，时间不超过4s。（2）在贮存环境条件下进行预防。固体钽电容建议在常温（-10+40）、常湿（80%RH以下）的环境下贮存。环氧树脂密封材料在高温高湿的使用环境下，会因为吸潮而使电容器的整体性能劣化。避免日光照射，避免过大的振动冲击。存储超过两年的钽电容，需重新进行电性参数测试。4结论本文重点对固体钽电容常见失效模式和失效机理进行了分析总结。提出了改进及预防措施，对今后钽电容的可靠使用提供指导。特别是对工艺、制造，以及应用方面提供了建议。参考文献1 苏龙兴,颜晓勇.金属钽粉的生产及提纯工艺进展J.粉末冶金工业,2021,31(01):91-97.2 张宇.电子元器件的可靠性分析J.科技创新与应用,2022,12(18):68-70.3 柳思泉.浅议电子元器件的筛选与电子元器件质量控制J.电子元器件与信息技术,2021,5(12):46-47.4 孙维连,陈再良,王成彪.机械产品失效分析思路及失效案例分析J.材料热处理学报,2004,25(01):69-73.5 陈新元,刘延飞,李昊,等.基于超级电容的恒功率无线充电智能平衡小车设计J.电子元器件与信息技术,2021,5(04):45-47.6 刘宝,魏齐龙.机械零部件的失效分析技术J.兵工自动化,2008(10):86-88.7 王敏.片式钽电容器漏电流可靠性研究J.电子制作,2019(01):71-73.8 孙铭泽,李建成,李乐乐,等.SiCMOSFET密勒电容分析及影响J.电子元器件与信息技术,2019(04):95-99.9 何晓舟.高压混合钽电容器介质氧化膜制备工艺探索D.西安:西安电子科技大学,2015.10张世莉,张建宏,唐万军.固体钽电容的使用可靠性J.微电子学,2008(3):389-391.（上接第59页）3.4系统应用分析元器件检测任务管理的信息化应用，无论是独立系统、平台构建，还是微服务架构实现，均是以信息技术的手段实现了任务的系统性管理，解放了在任务管理中的人为工作，使得整条元器件检测任务线上不同环节的人员，能够更加专注于核心、关键的事项，减少相关交流与沟通的成本，节约任务流程的时间，实现了流程自动化、任务智能化、管理数字化，切实有效地提高了元器件检测任务开展的效率。4结语元器件检测任务纷繁复杂，不同的任务要求需要配置不同的任务过程，涉及的检测标准和试验项目众多。所以，推进元器件检测任务管理的信息化应用，能够有效地实现元器件检测任务的自动管理。通过信息技术手段，以信息系统为载体，实现不同任务要求执行不同的任务过程，推动元器件检测任务管理的智能化发展。参考文献1 张洺瑞,严志华.电子元器件检测中的问题及其解决方式研究J.电子制作,2021(10):52-54.2 史伟,王晨,王娟.基于信息技术的企业技术创新和产业升级的研究J.电脑知识与技术,2015,11(10):231-232.3 RogerS.Pressman,BruceR.Maxim.软件工程:实践者的研究方法M.王林章,崔展齐,潘敏学,王海青,贲可荣,等译.北京:机械工业出版社,2021.4 张晓天.基于SSH框架的企业信息管理系统的设计与实现D.大连:大连海事大学,2019.5 涂南昌.基于微服务与容器的负载均衡系统设计与实现D.成都:电子科技大学,2022.