钽电容失效机理和焊接注意事项

showmaker · 发表于 2021-12-31 12:53

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对于钽电容，失效与其他类型的电容一样，也有电参数变化失效、短路失效和开路失效三种。由于钽电容的电性能稳定，且有独特的“自愈”特性，钽电容鲜有参数变化引起的失效，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。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。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。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。
　　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。
　　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、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微米级。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，称之微“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。
　　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、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。
　　“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。
　　4、低阻抗电路使用电压过高导致的失效;
　　对于钽电容器使用的电路，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。对于有电阻保护的电路，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%. 没有电阻保护的电路有两种; 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。二;电子整机的电源部分; 电容器并联使用在此类电路，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。在此类开关电源电路中［也叫DC-DC电路］，在每次开机和关机的瞬间，电路中会产生一个持续时间小于1微秒的高强度尖峰脉冲，其脉冲电压值至少可以达到稳定的输入值的3倍以上，电流可以达到稳态值的10倍以上，由于持续时间极短，因此，其单位时间内的能量密度非常高，如果电容器的使用电压偏高，此时实际加在产品上的脉冲电压就会远远超过产品的额定值而被击穿。因此，使用在此类电路中的钽电容器容许的使用电压不能超过额定值的1/3.
　　如果不分电路的回路阻抗类型，一概降额50%，在回路阻抗最低的DC-DC电路，一开机就有可能瞬间出现击穿短路或爆炸现象。
　　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。
　　对于降额幅度大小，切不可一概而论。必须经过精确的可靠性计算来确定降额幅度。
　　5、使用电压合适，但峰值输出电流过大。
　　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;
　　I=UR/1+ESR
　　如果一只容量偏低的钽电容器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。
　　6、钽电容器等效串联电阻ESR过高和电路中交流纹波过高导致的失效。
　　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; 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。电容器是极性元气件，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。
　　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，很多电路设计师都忽略其危害性或认识不够。只是简单认定电容器质量存在问题。此现象很多。
　　7、钽电容器漏电流偏大导致实际耐压不够。
　　此问题的出现一般都由于钽电容器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。
　　出现此问题的另外一个原因是关于钽电容器的漏电流标准制定的过于宽松，导致有些根本不具备钽电容器生产能力的公司在生产质量低劣的钽电容器。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。
　　高温时漏电流变化较小是所有电容器生产商努力的最重要目标之一，因此，此指标对可靠性的决定性影响不言而愈。
　　如果你选择使用的钽电容器的漏电流偏大，实际上它已经是废品，出问题因此成为必然。
　　8、钽电容器使用时的生产过程因素导致的失效。
　　很多用户往往只注意到钽电容器性能的选择和设计，而对于片式钽电容器安装使用时容易出现的问题视而不见;
　　举例如下;
　　A，不使用自动贴装而使用手工焊接，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。
　　B，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。
　　C，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气件失效。
　　9、一致性质量问题
　　钽电容器实际使用时的可靠性实际上可以通过计算得出来，而我们的很多用户使用时设计余量不够，鲁棒性很差，小批实验通过纯属侥幸，在批生产时出现一致性质量问题。此时，问题原因往往简单被推到电容器生产商身上，忽略对设计可靠性的查找。钽电容器使用时的无故障间隔时间MTBF对于很多用户来讲还是一个陌生的概念。很多使用者对可靠性工程认识肤浅。过于重视实验而忽略数学计算。导致分电路设计可靠性比整机可靠性低，因此，批量生产时不断出现问题。不懂得失效是一个概率问题，非简单的个体问题。
　　实际上钽电容器使用时容易出现的故障原因和现象还很多，无法在此一一论述。
　　在实际使用中的经验发现，钽电容失效呈现如下特点：
　　a）容值较大的钽电容比容值较小的钽电容更易失效
　　b）片状钽电容多发生在固定的部位或固定的电路中。
　　c）电源滤波的第一个钽电容更容易失效。
　　d）在ICT，FCT上电瞬间易发生失效。
　　e）老化过程中钽电容最容易失效。
　　f）散热较差区域易发生失效。
　　g）浪涌下易发生失效。
　　分析钽电容如上特点，无外乎就是容值，温度，浪涌等几个方面引起，所以我们在应用过程中需综合考量各种因素。
　　设计，保存，焊接注意事项
　　由于钽电容失效易起火，爆炸，所以在设计，保存，焊接过程中应注意如下关注点：
　　1.设计注意点
　　1.1.电压
　　1.电压主要通过电场的形式施加给钽电容使电容局部击穿而失效，用在开关电源中电压至少降额为1/3额定电压值（美军标规定不允许在电源滤波器中中使用固体钽电容），其他使用应降2/3电压，对我司应用建议电压至少降额至50%以下甚至1/3。
　　2.直流偏压和交流分压峰值之和不能超过额定电压值。
　　3.交流负峰值和直流偏压不能超过电容器允许的反向电压。
　　4.15V以上直流电压滤波不建议采用钽电容，特别在上下电较快的输入口处；低压但上下电较快的场合需要采取缓启动电路或尽量不采用固体钽电容。
　　5.在应用中尽量不用万用表进行不分极性的电阻量测。
　　6.当几个钽电容并联使用时候，建议Layout时把小容量电容放在前一级，容量大的放在后一级。
　　1.2.电流
　　1.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，因此需要对通过电容器的纹波电流引起的功率损耗进行限制（钽电容器不应长期使用于交流分量大或纯交流电路中）。
　　2.钽电容器在电路中，应控制瞬间大电流对电容器的冲击（国军标和供应商一般建议串联R＞3Ω/V的电阻以缓解这种冲击，以限制电流在300mA以下；当串联电阻小于3Ω/V时，则应考虑进一步的降额设计，否则产品可靠性将相应降低，如果将电路电阻从3Ω/V 降到≤0.1Ω/V，则失效率提高约10倍），当电容器用于滤波电路时，降额系数至少应为0.5），低阻抗电路应为1/3。
　　3.固体钽电容一般不耐大的电流冲击，，容易在氧化膜的薄弱区域发热促使氧化膜晶化提早发生，并降低耐压能力，所以为提高使用寿命，电容器应避免发生频繁的充、放电。
　　1.3.热设计&功耗考虑
　　1.钽电容应尽量远离热源，比如变压器盘，电池下面等。
　　2.应了解各种壳号的钽电容的功率损耗和降额系数，尽量减少热失效的几率。
　　2.组装，焊接&清洗
　　1.施加在电容工作端的压力不超过4.9N（工作端直径为1.5mm），时间不超过5S。
　　2.任何型号的电容器重复焊接不能超过2次。
　　3.在第一次焊接完成2H后才能进行第二次焊接，且第二次焊接完成后立即进行清洗
　　4.无论是手工焊还是再流焊，都应避免使用活性高、酸性强的助焊剂，以免清洗不干净后渗透、腐蚀和扩散，进而影响其可靠性。
　　5.不得使用高活性溶剂，建议使用异丙醇溶剂进行清洗，但时间应不超过5分钟。
　　6.不建议用超声波清洗，如确需要，则建议条件为48KHZ/40度/5分钟，振动输出0.02W/cm3已安装电容器不得与任何清洗器具相接触，也不得用刷子之类的的工具戳洗电容器。
　　3.保存
　　1.请在常温常湿环境（温度要求在35度以下）下保存。
　　2.避免日光照射，避免受过大的振动和冲击。
　　3.电容保存期超过两年需重新进行老化并测试电性参数。