固体钽电容器可靠性提高途径和方法分析

固体钽电容器可靠性提高途径和方法分析

前言：固体钽电容器以其出现色的高低温特性而成为使用者在工作条件恶劣时的首选，但其可靠性由于钽电容器固有的缺陷而受到影响。特别是使用在高温和高浪涌时，产品的可靠性受到突然失效的威胁非常大。因此，提高固体钽电容器可靠性是我们非常重要的努力目标。

1 固体钽电容器失效方式分析

一个合格的固体钽电容器在工作状态如果发生失效，基本的失效模式如下；

1.1 过压失效

钽电容器使用在电路中时，在正常的工作电压以外，还要受到浪涌电压和电流的冲击。因此，工作时时实际加在产品上的电压=浪涌电压+工作电压+交流纹波电压。由于使用电路中的阻抗不一样，因此，当电路阻抗较低时，实际的浪涌电压在瞬间可以达到1.5-2.5倍的稳态工作电压。因此，使用在低阻抗电路中时，考虑到开关瞬间的浪涌冲击电压会远超过产品容许承受的电压冲击，因此稳态的工作电压不能超过额定值的1/3。否则，产品就非常容易出现瞬间的过压而击穿。因此，在电路设计时必须为不断产生的浪涌留出电压余量。

在具体使用时，由于电路产生的热量积聚，产品工作时环境温度有可能达到50度以上，因此实际使用电压必须考虑到温度升高会导致产品的漏电流增加的问题。因此实际使用电压应该更低。在不同温度下产品应该使用的工作电压和失效率关系如下；

由于钽电容器漏电流随温度的增加而增加。工作在温度较高时，最大工作电压Vmax必须降额，合适的降额幅度可以从下面的公式中求得：

式1：

Vmax=( 1-(T-85)/125)×V R

这里：T 是要求的工作温度

值得注意的是上述公式只适用于高阻抗电路。同时上述公式并没有考虑交流分量和浪涌的影响，因此当使用温度较高时，必须使用更大的降额电压才电阻能稳定可靠地工作

如果只强调温度和电压，固体钽电容器的现场故障率可以从下面的表达式中计算出来：式2：

λ=λ0(V/V0)3×2(T-T0)/10

这里：

λ：实际工作条件下的故障率。

温度：T

实际使用电压：V

λ0：额定负载下的故障率。(1% /1000h)

温度：T0

额定电压：V0

测试条件：

温度：85 ℃

电压：额定电压

Rs：3Ω[要求的线路保护电阻]

上式说明在实际使用中过高的温度和使用电压对产品的可靠性影响非常大。

不同的使用电压和不同的工作温度与产品的额定电压会导致出现不同的寿命，其计算方法如下；

相同规格产品高温时使用电压不同时产生的漏电流不同，其产品失效率MTBF[式中的F]的计算见下式3：

式中：

F U：工作电压和额定电压的修正系数=U1/U R（U1为实际工作电压）

F T：工作温度的修正系数=T1/T2（T1实际工作温度，T2为容许的最大工作温度[85度]）

F R：电路总电阻

F B：基本的失效率（钽电容器的基本失效率是1%/1000小时）

F的单位小时

从上式中可看出，如果一个产品的工作温度较低，使用的电压也较低，那么它的失效率就非常低。从侧面同时也证明如果一只钽电容器的漏电流较小就相当于产品的降额幅度更大，相当与这只产品的实验电压低或使用温度低。如果一只产品的高温漏电流较小，其可靠性更高。

1.2 浪涌失效

当钽电容器使用到开关电源电路中时，由于电路电阻很低，因此，电路中在开关的瞬间会产生1.5-2.5倍的瞬间浪涌电压和浪涌电流。而不同规格产品的ESR值一定，因此不同规格产品能够耐受的电流如下式4；

I=U R/（1+ESR）

式中：U R为产品的额定电压

在产品的ESR一定时，如果浪涌电流过高，产品也会因迅速的发热而导致击穿失效。因此，使用在此电路中时，稳态的工作电压不能大于1/3额定电压。同时还必须在电路设计时保证产生的直流浪涌值不大于产品容许的浪涌值。如果不遵守此基本原则，产品就会失效。

1.3 反向击穿

钽电容器是典型的极性元件，由于其介质层特殊的物理结构，它基本不能承受反向电压。

这里引用的反向电压值是指在任何时候出现在电容器上的最大反向电压。这些极限建立在假定电容器在其工作期间的极大多数时间内极性正确的基础上。只是在短时间内极性反，例如出现在开关的瞬间外加波形的较小的部分。连续工作在反向电压下会导致漏电流大幅度增加甚至击穿。在有连续反向电压出现的场合，可以两个一样的电容器背靠背阴极连接在一起组成一个无极性电容器。在绝大多数情况下，这种组合是原来单个电容器容量的一半。在孤立脉冲或最初几个周期情况下，电容量可能接近正常值。设计的容许承受的额定反向电压要考虑到异常的情况，例如电压波形发生偏移变成不正确的电压方向。

正常情况下，可以瞬间加到电容器上的反向电压峰值不应该超过：

在25℃时，额定直流工作电压的10%，最大为1V。

在85℃时，额定直流工作电压的3%，最大为0.5V。

在125℃时，额定直流工作电压的1%，最大为0.1V。

因此，如果电路中的反向电压较大，会导致快速的DCL增加而失效。值得提醒的是，当产品使用到开关电源滤波电路中时，开关的瞬间除了较高的直流浪涌电压，电路中的交流波幅会瞬间达到稳态的直流工作电压的1/2--2/3。这非常危险。在通电的瞬间，两极板表面极性相反的电荷分布在极化完成后才能使定向电流呈阻隔性，才能开始储能并正常工作。在开始极化的前期[500毫秒以内]，电容器实际上呈通路状态，随电荷极化完成后的均匀分布，产品的阻直通交特性才开始呈现。由于产品本身固有的电阻值较大，一般在0.02-5欧姆范围，因此当遇到极短时间的大电流[浪涌电流呈此特点]冲击时，固有的电阻会迅速发热，这些热量会阻止极板间电荷的极化速度，并使极化的完成效率大为下降。当电流过大时，会导致极化失败，从而出现击穿现象。影响极化速度的另一个原因是产品本身的串连电阻，当等效串联电阻较大时，瞬间产生的热量也较多，因此产品更容易出现击穿。这个在极短时间产生的很大的浪涌电场[几十微秒]下，交流成分产生的热量并不随极板两边电荷的极化速度而改变，它产生的能量密度由于浪涌产生的时间非常短而非常大[能量密度与浪涌产生时间成反比]，如此在极短时间内集中的能量由电阻转化后产生的热量对产品内部的热冲击也是毁灭性的，因此根据产品本身的阻抗值的大小必须限定产品在使用时的浪涌电流极限和使用电压极限及交流分量的幅值高低。否则产品不光可靠性无从谈起，正常的工作都不能保证。失效就会成为必然。

2 解决失效的方法

2.1 提高产品介质层厚度和质量

钽电容器的介质层具有很高的介电强度，其介电强度ε：=167KV/mm。

当直流电压提高1V，产品的介质层厚度可以增加16埃[每埃为百万分之一毫米]。因此，提高产品可靠性的最有效方法就是通过增加钽粉用量或比容，使产品的介质层更厚，使其能够耐受的电压更高。

在体积容许的情况下，尽可能使设计的产品的形成电压更高。

另外，不同的原材料质量和生产工艺及过程控制水平也可以使产品的介质层在厚度一定时具有更好的质量。它对产品的可靠性影响一样较明显。

2.2 降低产品的ESR值

钽电容器在工作状态，其ESR与产品可耐受的浪涌电流成反比，ESR越低的产品，能够耐受的浪涌电流越大，因此想法降低产品的ESR值，也是提高产品可靠性的有效途径。具体计算见式4。

另外，ESR较低的产品在工作频率较高时产品的阻抗更小，而且容量变化也更小，因此对可靠性也可以造成有利影响。

2.3 改变产品电连接结构

我们现在生产的钽电容器基本上都是单芯子结构；如下图示；

如果我们把阳极芯子做成多个更小的再组装后，根据并联电路里总阻抗值与分阻抗值之间的分数关系，把产品的阳极分成几部分，这样产品的总阻抗值将成倍下降。这样产品的耐浪涌能力将成倍提高，可靠性也成倍提高。这是不采用新阴极材料就可以扩大产品使用频率范围的一个成功方法。如下图示；

采用多芯子结构的产品由于其极低的ESR值和优良的耐浪涌能力，被行业电路专家建议为直流开关电源滤波电路的推荐产品。其可靠性只需要增加成型磨具就可以成倍提高。因此我们可以在不增加生产成本太多的条件下就可以做到此点。

2.4 采用先进的生产工艺

科学无止境，在通过改进生产工艺，使生产出的产品的参数性能更优良，一样可以提高产品的可靠性。

例如，在关键的介质层形成时，如果我们可以使用两步发形成，先在产品的表面生成厚度较高的介质膜，然后再形成内部对容量有决定作用的介质膜，由于钽电容器的内部结构是一个海绵状的网络结构，由于其存在众多微观上的突出部位，因此其表面在形成时，尖端部位的介质膜由于电场强度分布的趋肤效应而实际分布到的电场强度大的多，因此，此处形成的介质膜的晶体物理结构容易出现问题，非常容易形成可通过较大电流的导电通道。而且非常容易出现晶化现象。如果使用在低阻抗电路里，出现浪涌时，加在产品上的实际电压大于产品能够耐受的额定电压，而由于趋肤效应，加在产品外层的电压场强比产品内部介质膜上的场强更高，相当于加在产品边缘处的场强被放大，因此在产品边缘非常容易出现击穿现象。最危险的是这种放大速度极快，导致产品介质膜上瞬间承受的场强远超过容许值。因此，增加外表层介质层厚度在粉量受到严格限制时，是一个提高产品可靠性的非常有效的途径。

2.5 合理的电路设计

钽电容器的失效基本上都发生在低阻抗电路中。失效原因前面已经分析过。防止失效的方法除了对使用电压和温度及频率进行严格限制外，如果在电源开关前加一个延时电路[也叫软起动电路]，它就可以明显抑制开关瞬间猛烈的浪涌电压和电流，因此它对提高产品使用的可靠性也非常有效。推荐增加的延时电路如下；

以上方法已经在众多的开关电源电路用户处经过验正，可明显提高整机使用寿命，增加产品的可靠性。

3 综述

上文中已经把能够造成钽电容器失效的基本原因讲清楚，提高钽电容器可靠性在现有条件下基本可使用的方法如上所述。基本上都是可行性较好的途径。相信在经过一段时间后，我们的产品可靠性可以在大家的共同努力下获得明显提高。达到较先进的水平。为我们的产品进入要求更高的用户创造条件。