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电子工程师对钽电容都应该不陌生，价格比普通的电容要贵上很多，但还很容易就发生爆炸，很容易就失效。有人都会把这个归结于钽电容本身质量不好，但其实很多时候是使用不当造成的。 h, U; K! p1 j- R
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今天我就讲一下钽电容失效的机理，怎么防止钽电容失效？字数有点长，希望大家可以耐心地看完。0 g' \3 _, B) I! T
! n* k% O( i6 G$ ^0 C1 H+ S钽电容失效的机理4 y& z4 U5 K) x# K; c( G
钽电容失效与其他类型的电容一样，分为三种：电参数变化失效、短路失效、开路失效。
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钽电容失效大部分是由于电路降额不足，反向电压，过功耗导致，主要的失效模式是短路。另外，根据钽电容的失效统计数据，钽电容发生开路性失效的情况也极少。因此，钽电容失效主要表现为短路性失效。
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! h- t& V/ F# h( k3 m) w钽电容短路性失效模式的机理是：固体钽电容的介质Ta2O5由于原材料不纯或工艺中的原因而存在杂质、裂纹、孔洞等疵点或缺陷，钽块在经过高温烧结时已将大部分疵点或缺陷烧毁或蒸发掉，但仍有少量存在。
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% |/ v' g2 Z' Y" m5 _1 I在赋能、老炼等过程中，这些疵点在电压、温度的作用下转化为场致晶化的发源地—晶核；在长期作用下，促使介质膜以较快的速度发生物理、化学变化，产生应力的积累，到一定时候便引起介质局部的过热击穿。如果介质氧化膜中的缺陷部位较大且集中，一旦在热应力和电应力作用下出现瞬时击穿，则很大的短路电流将使电容迅速过热而失去热平衡，钽电容固有的“自愈”特性已无法修补氧化膜，从而导致钽电容迅速击穿失效。! }; D P# L! l% a! r3 y, `7 e' X# Z
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钽电容失效机理主要是由于氧化膜缺陷，钽块与阳极引出线接触产生相对位移，阳极引出钽丝与氧化膜颗粒接触等，大部分钽电容失效是灾难性的，可能发生烧毁，爆炸，在应用过程中需特别注意。
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钽电容为什么失效？怎么防止钽电容失效
( v3 S+ N2 l- f* `! x“不断击穿”又“不断自愈”的问题产生失效* t) p8 C1 }' Q; G& P. H
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。$ v; ~8 w& w ^" H
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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。同时电容器本身储存的能量也很大，导致电容器永久失效。
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b( q9 A+ L. ~3 c( X6 S解决办法' ^/ r, e& E2 C: ?! o( m% J
钽电容加上电压或者高温下工作时，会产生局部”击穿“现象。环境温度从＋85℃降到55℃使用，钽电容工作寿命增加10倍。
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“热致失效”
* E+ _7 d0 `1 H" D' D* n钽电容介质氧化膜有单向导电性能，当有充放大电流通过介质氧化膜，会引起发热失效。无充放大电流时，介质氧化薄相当稳定，微观其离子排列不规则、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。钽电容介质氧化薄的“晶化”疏散的结构导致钽电容器性能恶化直至击穿失效。# L. o/ n1 m* X8 J% U
, c1 Q! b5 T) p1 g& n解决办法
C# B$ o5 B3 M( Q应该从线路上入手，采取限流措施，增加固钽线路中的回路电阻。如果应用线路中的串联电阻从3W下降到0.1W，则其可靠会降低一个数量级以上。也就是说：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。( @: j7 k) k- e! E1 F9 y7 M+ R6 @
9 I9 O% W4 `' k- [2 _0 u/ {“场致失效”
, Q, { F _, y8 @# f, g& n钽电容加上高的电压，内部形成高的电场，易于局部击穿。“场致失效”的原因是加到钽电容上的电压越高，场强越高，越容易产生“场致失效”。
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4 ?+ [" D5 t2 m7 _2 o+ s解决方法( [& C8 W0 x- S) w
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。
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$ g. r# @( Y' m, L( c j( ]低阻抗电路使用电压过高导致的失效3 O/ G( F! J8 R. b# i, H1 \) q
对于钽电容使用的电路只有两种：有电阻保护的电路和没有电阻保护的低阻抗电路.。: R3 D8 D/ x( H+ j0 z) c
& S% E- F7 U6 s9 [, q+ Y有电阻保护的电路
7 @) P4 w! ^. ~/ }8 d3 M9 u0 g由于电阻会起到降压和抑制大电流通过的效果，因此，使用电压可以达到钽电容器额定电压的60%。
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. W% _6 ?4 W4 {$ x7 X5 M5 A没有电阻保护的电路
& I/ x9 O6 y7 n4 |' L# A8 z有两种：一、前级输入已经经过整流和滤波，输出稳定的充放电电路。在此类电路，电容器被当作放电电源来使用，由于输入参数稳定没有浪涌，因此，尽管是低阻抗电路，可安全使用的电压仍然可以达到额定电压的50%都可以保证相当高的可靠性。
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二、电子整机的电源部分，电容器并联使用在此类电路上， 除了要求对输入的信号进行滤波外，往往同时还兼有按照一定频率和功率进行放电的要求。 因为是电源电路,因此,此类电路的回路阻抗非常低，以保证电源的输出功率密度足够。
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4 g# K# c7 z+ `; B; }7 |在此类电路中使用的电容器应该降额多少，一定要考虑到电路阻抗值的高低和输入输出功率的大小和电路中存在的交流纹波值的高低。因为电路阻抗高低可以决定开关瞬间浪涌幅度的大小。内阻越低的电路降额幅度就应该越多。
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对于降额幅度大小，需要必须经过精确的可靠性计算来确定降额幅度。
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) C7 L0 `) i v用电压合适,但峰值输出电流过大导致失效* |( f% }" C7 O1 K
钽电容器在工作时可以安全承受的最大直流电流冲击I，与产品自身等效串联电阻ESR及额定电压UR存在如下数学关系。
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I=UR/1+ESR S d8 r* `) Z {
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如果一只容量偏低的钽电容使用在峰值输出电流很大的电路，这只产品就有可能由于电流过载而烧毁，这非常容易理解。7 I5 d# V* `( v5 U2 I- Z4 [
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钽电容等效串联电阻ESR过高和电路中交流纹波过高导致的失效
9 `" @: h6 b8 l/ O" `5 o' Y8 I b当某只ESR过高的钽电容器使用在存在过高交流纹波的滤波电路，即使是使用电压远低于应该的降额幅度,，有时候，在开机的瞬间仍然会发生突然的击穿现象。& n" Y/ A2 Z/ e6 c1 w4 @
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出现此类问题的主要原因是电容器的ESR和电路中的交流纹波大小严重不匹配。
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电容器是极性元器件，在通过交流纹波时会发热，而不同壳号大小的产品能够维持热平衡的容许发热量不同。由于不同容量的产品的ESR值相差较高，因此，不同规格的钽电容器能够安全耐受的交流纹波值也相差很大，因此,如果某电路中存在的交流纹波超过使用的电容器可以安全承受的交流纹波值，产品就会出现热致击穿的现象。同样，如果电路中的交流纹波一定，而选择的钽电容器的实际ESR值过高，产品也会出现相同的现象。
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. [7 X/ ~1 t$ s; m一般来说，在滤波和大功率充放电电路，必须使用ESR值尽可能低的钽电容器.。 对于电路中存在的交流纹波过高而导致的电容器失效问题是经常存在的，作为电子工程师不应该忽略其危害性。
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" S) @+ r6 G8 Z0 a4 W漏电流偏大导致实际耐压不够导致失效+ K2 k1 k: M6 \; y+ U( a
一是钽电容的实际耐压不够造成，当电容器上长时间施加一定场强时，如果其介质层的绝缘电阻偏低，此时产品的实际漏电流将偏大，而漏电流偏大的产品，实际耐压就会下降。0 |- I0 o% Z u8 Z0 L! f" d
6 S2 V" h& `" P' E# @6 Z二是普通的室温时漏电流就偏大的产品，如果工作在较高的温度下，其漏电流会成指数倍增加，因此其高温下的实际耐压就会大幅度下降.，在使用温度较高时就会非常容易出现击穿现象。5 q' W* y3 j4 p
9 k* P6 |% k$ Q# d) e! h如果选择使用的钽电容的漏电流偏大，就很容易出问题。
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钽电容使用时的生产过程因素导致的失效
1 ]2 W% T0 j. w. v大部分电子工程师经常会注意到钽电容性能的选择和设计，但其实片式钽电容安装使用时也会出现许多问题。
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5 K' i) Y6 U' _7 [; X一是不使用自动贴装而使用手动焊接，产品不加预热，直接使用温度高于300度的电烙铁较长时间加热电容器，导致电容器性能受到过高温度冲击而失效。6 y/ }, I/ ?& H7 r# ~: u! ~# K
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二是手工焊接不使用预热台加热，焊接时一出现冷焊和虚焊就反复使用烙铁加热产品。! X5 `/ T. \! p' l4 |0 Z3 |/ `
$ O3 l, K; p6 \$ d! \三是使用的烙铁头温度使用的烙铁头温度甚至达到500度.，这样可以焊接很快，但非常容易导致片式元器件失效。% O1 E1 z& t/ H
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一致性质量问题导致失效
7 `( Q; p; H/ c' J- t% n3 Y k钽电容实际使用时的可靠性，可以通过计算得出来。很多人都会忽略对设计可靠性的查证，比如钽电容使用时的无故障间隔时间MTBF。
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* X& w, m) p$ M4 ^* i+ t5 i! y下面总结几个在实际使用中的经验。4 G5 s; y. V( p* y! Y. }
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1、值较大的钽电容比容值较小的钽电容更易失效: @4 Z/ V/ P' X% Z9 O
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2、片状钽电容多发生在固定的部位或固定的电路中
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3、电源滤波的第一个钽电容更容易失效
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: Q1 `. s; } O. V h4、在ICT、FCT上电瞬间易发生失效3 w, e) l# H* e+ c* f
* }/ e9 u7 Z- u! o# V6 B+ q5、老化过程中钽电容最容易失效6 h, u4 Q/ ~* A% G, O. o9 T
# q7 I; w3 k8 x! g' P! G2 _6、散热较差的区域易发生失效( t- x. n' A, W) s1 I' G
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7、浪涌下易发生失效$ c) Q3 i5 \+ ]8 T4 }; _/ ?5 c) A
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发表于 2022-3-15 10:49
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