钽电容失效机理

钽电容失效机理

简单一点说是这样的。

1）钽电容的失效模式是短路形式。故而在可靠性要求高的场合，如军品，宇航，汽车级电路中一般限制使用。如星上就不用。NASA好像也是规定不能用。

2）铝电解质电容其ESR可以做的很小的，如果我没有记错的话，可以到毫欧级。

文摘1：ESR(等效串联电阻),应该注意的问题

前两天我负责的一个LDO测试工程师上电后发现输出振荡了。

我做的时候没有振荡，对照下来，输出电容不一样，我用的是10u的铝电解，他用的是钽电容。因为我以前对这两种电容有过测试，所以，把他用的电容拿过来在Fluke，RCL测量仪上测试，ESR高达13欧姆(10kHz)，而我以前的测试的10u钽电容一般只有0.5欧姆左右。所以换成ESR=0.5欧姆的电容就没有振荡了。在很多的电容介绍中，只是偶尔提到ESR这个概念，而没有具体说明数值，也许是种类繁多不好概括吧。ESR与制作材料，频率，温度和电容值都有关。一般来说，对同一种工艺、同一厂家生产的同一种电容，电容值与ESR 的乘积接近常数。

上面说的13欧姆的电容显然是有问题的(但没标准，只能按照经验判断了).，由于没做过系统，对各种电容的ESR不了解，最好请哪位大侠能公布各种电容的ESR作参考。不过最好的办法是使用前量一下。

文摘2：关于使用固钽和液体钽电容的浅释

彭宝霞(航天511所)

摘要：本文对液体钽电容和固体钽电容的失效原因作了具体分析。对这两种产品的使用提出自己的看法和建议。

关键词：液钽固钽可靠性

钽电容器分为固体钽电容器和液体钽电容器。它们在军用整机中大量使用。例如：液体钽电容器在84年只有529厂和502所两个单位使用，用量不到2000只。而95年五院各厂所的液体钽订货量将近1万只。固体钽电容器更是大量使用。随着固体钽电容器和液体钽的大量使用。先后暴露的质量问题也不少。我们了解到早期有单位禁止使用液钽，而近期的单位禁止使用固钽，这是怎么回事?

一、早期某些单位禁用液钽，禁用的理由：

1.液体钽电容器的漏液问题

液体钽电容器工作电解质为酸性液体，如果产品密封不好，出现漏液。酸性液体漏到电路的印制板上，使线条之间短路，发生严重故障。另外，液体钽电容器在加电工作时不断化学反应要分解出气体，在高真空条件下气体在壳内膨胀而发生爆炸，引起导线之间短路。2.液体钽电容器的耐反向电压问题

液体钽电容器采用的银外壳。当加上反向电压后Ag＋离子很快通过电解液及Ta2O5介质膜并向钽正极上迁移。即使有0.1V的反向电压，也会损坏了Ta2O5介质，可使其损毁。用户在使用中及筛选测试中都不能加上反向电压。航天总公司1997年发出通报：在某一线路中的液体钽上有0.5V的反向电压，引起了失效，要引以为鉴!

因以上原因，有些单位禁用液钽。

二、为什么还在大量使用液体钽电容器?

1.防止液体钽电容器漏液采用全密封型液体钽电容器。

虽然我国生产液体钽电容器已有近30年的历史，但真正制造全密封液体钽电容器才刚刚起步。特别是国产玻璃绝缘子的配件质量过不了关。而航天器的设计要求是在真空度高于1×10－5帕条件下，液体钽电容能在预定的时间内正常工作。

近年来生产厂解决了一些关键问题，引进了生产线，有了关键设备。使液钽电容器的使用可靠性大大提高。例如：贵州4326厂的CAK35全密封液体钽电容采用三级密封新的工艺，解决了密封问题。其引进生产线在92年通过了设计定型。94年度五院电子元器件可靠性中心，按GJB733－94标准和航天特殊要求，进行了用户认定试验。95年度4326厂又在广五所取得CAK35的五级可靠性认证鉴定试验合格的证明。

2.避免反向电压问题

在测试筛选、调试及线路中规定，不得有反向电压加到液钽上去，来避免反向电压的损坏。

3.防止振动冲击失效采用了防振垫圈

液钽经受不了振动冲击，出现过间歇短路。经过失效分析：液钽壳内的液体不能将钽块固定。另一端的钽丝被绝缘子固定住。钽块与钽丝成为一个悬臂，因此振动时，钽块经常要碰击银壳的内壁造成短路，现象是时好时坏的间歇短路。目前采取的办法是设计了防振垫圈固定住钽块，有效的克服间歇短路。〔3〕

4.增加补充筛选

经五院可靠性中心补充筛选，为型号上使用液体钽把好关。为提高上机率，根据航天器的真空条件，多年来增加48小时的真空试验，剔除密封不好产品。

三、某些单位禁用固钽，禁用固钽的理由：

1.固钽因“不断击穿”又“不断自愈”问题产生失效。在正常使用一段时间后常发生固钽密封口的焊锡融化，或见到炸开，焊锡乱飞到线路板上。分析原因是其工作时“击穿”又“自愈”，在反复进行，导致漏电流增加。这种短时间(ns～ms)的局部短路，又通过“自愈”后恢复工作。关于“自愈”。理想的Ta2O5介质氧化膜是连续性的和一致性的。加上电压或高温下工作时，由于Ta＋离子疵点的存在，导致缺陷微区的漏电流增加，温度可达到500℃～1000℃以上。这样高的温度使MnO2还原成低价的Mn3O4。有人测试出Mn3O4的电阻率要比MnO2高4～5个数量级。与Ta2O5介质氧化膜相紧密接触的Mn3O4就起到电隔离作用，防止Ta2O5介质氧化膜进一步破坏，这就是固钽的局部“自愈了”。但是，很可能在紧接着的再一次“击穿”的电压会比前一次的“击穿”电压要低一些。在每次击穿之后，其漏电流将有所增加，而且这种击穿电源可能产生达到安培级的电流。同时电容器本身的储存的能量也很大，导致电容器永久失效。

2.固钽有“热致失效”问题

固钽的Ta2O5介质氧化膜有单向导电性能，当有充放大电流通过Ta2O5介质氧化膜，会引起发热失效。Ta2O5介质氧化薄膜厚度只有?级。无充放大电流时，介质氧化膜相当稳定，微观下其离子排列不规则、无序的，称作无定形结构。目测呈现的颜色是五彩干涉色。当无定形结构向定形结构逐步转化，逐步变为有序排列，称之为“晶化”，目测呈现的颜色不再是五彩干涉色，而是无光泽、较暗的颜色。Ta2O5介质氧化薄膜的“晶化”疏散的结构导致钽电容器性能恶化直至击穿失效。

3.固钽有“场致失效”问题。

固钽加上高的电压，内部形成高的电场，易于局部击穿。

因有以上三种失效机理，某些单位提出禁用固钽。

四、为什么还在大量使用固钽电容器?

固钽尽管存在以上问题，但笔者统计固钽的现场使用失效率也可达到1×10-8／h。

1.生产方在选用材料上入手，为解决固钽“不断击穿”又“不断自愈”，应用超纯钽粉材料和工艺控制来减少这种局部“击穿”现象。分析了固钽在加上电压或高温下工作时，会产生局部

“击穿”现象。固钽环境温度从＋85℃降到55℃使用，工作寿命增加10倍。

2.克服固钽的“热致失效”问题

为解决“热致失效”问题。应用方在线路上入手，采取限流措施，增加固钽线路中的回路电阻。笔者见到有文献报道：“如果应用线路中的串联电阻从3W下降到0.1W，则其可靠性会降低一个数量级以上。”即固钽的可靠性下降十倍!在固钽线路中，增加串联电阻，达以1W／1V 后，可增加固钽应用可靠性。

3.克服固钽的“场致失效”问题

多年来解决固钽的“场致失效”进行了研究。“场致失效”的原因是加到固钽上的电压越高，场强越高，越容易产生“场致失效”。所以为提高固钽可靠性，必须采取电压降额使用！

一般高可靠线路中固钽电压降额50%使用，其工作寿命可延长100倍。〔1〕

五、建议今后慎用固体钽电容器和液体钽电容器

笔者了解到国内、外的实用情况：

1.航天部某所在研制DC／DC变换器即开关电源上不用固体钽电容器和液体钽电容器，采用的是开关电源专用滤波电容器。

2.美国一家生产DC／DC电源的公司来航天部502所座谈、讨论。他们研制DC／DC电源上不用固体钽电容器和液体钽电容器，是军品规定的。

3.查美国军用标准MIL－STD－975H《NASA标准EEE电子元器件目录》中已规定“固钽电容器不得用于电源滤波器中”应该引起我们高度重视！回想使用固体钽电容器和液体钽电容器中，出现过故障、失误。往往误认为是偶然问题，重换一个产品又在工作下去。一方面原因分析不彻底，另一方面也没有找到新的品种。例如：87年某型号整机在系统试验时，刚开机就发生一只固钽电容器冒烟烧坏。一瞬间可见到固钽电容器的封口处的焊锡熔化，并将直流稳压电源烧坏！97年某型号的整机在进行高温老炼中也发生过进口的两只固钽电容器及国产的一只固钽电容器烧坏!

4.通过加强材料、工艺控制可以减少失效现象，但总有这种失效机理存在，不能杜绝。而成为关键线路慎用固钽的原因。例如，在线路上常串联相同的两只，来避免固体钽电容器或液体钽电容器的短路。列出固体钽电容器和液体钽电容器的优缺点对比，供设计师择优选用。见表1。〔2〕