片式鉭電容器漏電流可靠性研究

王敏

（中國空空導彈研究院，河南洛陽，471003）

0 引言

隨著越來越多的電子設備朝小型化、集成化方向發(fā)展，片式鉭電容器因其貼片化、大容量、低漏電流、低損耗、高可靠性等諸多優(yōu)良性能，在通訊設備、計算機、汽車電子等都有著廣泛的應用。通常，片式鉭電容器失效原因主要有：開路、短路、功能喪失、參數(shù)變化等，其中，短路所占比例最大。短路主要表現(xiàn)為漏電流超標。因此，解決漏電問題是提高片式鉭電容器可靠性的關鍵。本文主要針對片式鉭電容漏電流問題，分析了影響漏電流大小的因素和失效模式，提出了相應的改進措施。

1 片式鉭電容器漏電流簡介

當電容器施加直流電壓時，充電電流開始很大，逐漸隨時間而下降到某一值后達到較穩(wěn)定的狀態(tài)，這個值稱為漏電流。一般漏電流最大容許值表達公式為：Io=KCU

式中Io—漏電流容許值（μA）；

K—漏電流常數(shù)，片式鉭電容一般為0.01；

C—電容器的額定電容量（μF）；

U—電容器的額定電壓（V）。

電容器的漏電流主要是因介質的絕緣電阻不是無限大和介質存在的缺陷（雜質）產(chǎn)生的。因此漏電流表征電容器的絕緣質量，是片式鉭電容器中最重要的電氣參數(shù)，相當于其他類型電容器的絕緣電阻值[1]。

2 影響片式鉭電容器漏流的因素

影響片式鉭電容器漏電流大小的因素有很多，大致可以分為兩個方面：一是電容器制造工藝的影響；二是使用條件的影響。

2.1 電容器制造工藝的影響

2.1.1 鉭粉純度的影響

鉭粉的純度直接影響片式鉭電容器的質量，影響漏電流大小。鉭粉在制造過程中不可避免的會引入雜質，主要有鐵系金屬、碳（C）、氫（H）和氧（O）、氮（N）和硅（Si）等雜質。片式鉭電容器在生產(chǎn)過程中，使用的不銹鋼容器會造成鐵系金屬混入鉭粉，其含量如果大于250ppm，漏電流就會急劇增加。由于鐵系金屬熔點比較低，真空燒結時可以有效的減少其含量。碳是鉭粉中混入較多的雜質，主要是作為鉭的碳化物存在，影響漏電流。氫和氧極易被鉭粉吸附，真空燒結時，氫氣大部分可以釋放出去，但吸附于鉭粉表面的氧會向鉭內(nèi)部擴散，過剩的氧與鉭粉發(fā)生化學反應產(chǎn)生Ta2O5，造成漏電流增大。在燒結過程中，氮與鉭粉反應生成TaN和Ta2N，會增大電容器的漏電流。硅是鉭粉中存在最多的雜質，當硅的含量高于150ppm時，漏電流會顯著增大。因此，片式鉭電容器漏電流的大小對鉭粉雜質含量要求極為嚴格，一般要求小于10～50PPM。在生產(chǎn)片式鉭電容器時，必須合理、恰當選用鉭粉純度，才能確保電容器的質量。

2.1.2 電容器制造工藝

片式鉭電容器制造工藝直接影響其性能，尤其是幾個關鍵工序直接影響漏電流的大小[2]。

陽極制造工序：在1500～2050℃高溫下真空燒結鉭粉，去除雜質，達到提純和成型的目的。如果提純效果不佳，殘留在鉭陽極芯子中的雜質，會造成氧化膜疵點，導致漏電流增大。

賦能工序：將鉭芯放在電解質中，以鉭芯接陽極，電解質接陰極，施加電壓，形成Ta2O5膜層。在這一工序中,電解質的配方及溫度、電壓、升壓電流密度、恒壓時間等都必須嚴格按工藝要求進行控制。如某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，Ta2O5膜層極易發(fā)生“晶化”（如圖1，圖2），造成漏電流增大，所以賦能工藝不僅要求制造完整的介質膜層，又不能出現(xiàn)“晶化”現(xiàn)象。

圖1 無晶化點的介質氧化膜圖樣

圖2 有晶化點的介質氧化膜圖樣

被膜工序：是電容器陰極MnO2制造工藝，漏電流大小取決于被膜工藝控制及中間賦能的效果。

封裝工序質量、老煉工藝效果等都影響電容器的漏電流性能。

2.2 使用條件的影響

使用條件對片式鉭電容器漏電流的影響主要有兩個方面，一是溫度的影響；二是施加電壓大小與持續(xù)時間的影響。

2.2.1 溫度的影響

當給產(chǎn)品施加額定電壓，溫度自室溫逐漸升高時，漏電流隨著溫度上升而成指數(shù)函數(shù)增加，主要原因是片式鉭電容器氧化膜內(nèi)部雜質離子的遷移能力隨溫度上升而急劇加強，從而留下誘發(fā)介質氧化膜“晶化”的隱患，影響產(chǎn)品性能。

2.2.2 施加電壓大小與充電時間的影響

由漏電流容許最大值一般用以下公式表示：IO=KCU，可以看出漏電流隨著施加電壓的增高而增加（如圖3）。其本質原因是當施加電壓增高而膜厚不變時，相應的膜上的電場強度將隨電壓的增高而加強，當場強達到某一定值后，弱束縛著的雜質離子也將隨著電壓增加而增多參加導電數(shù)目，導致漏電增大[3]。

圖3 漏電流與施加電壓的關系

此外，漏電流的大小與充電時間也有關系時間，如圖4所示。片式鉭電容器兩端剛加上電壓時，漏電流很高，隨著加壓時間的增加，漏電流急劇減小，最后達到“穩(wěn)定的狀態(tài)”。

3 片式鉭電容器失效模式

目前常見的片式鉭電容器有三種失效模式：電壓型、電流型和發(fā)熱型[4]。

圖4 漏電流與加壓時間的關系

3.1 電壓型失效

電壓型失效是指使用過程中工作電壓不合理或浪涌電壓過高，引起局部“閃火”，最終導致介質氧化膜擊穿。鉭粉中有雜質，形成瑕疵點，該瑕疵點長期經(jīng)受高工作電壓，造成場強較高，電流密度較大，局部高溫點出現(xiàn)，當溫度升高時，便促進了瑕疵點“晶化”變成“晶核”。晶體隨著電壓和環(huán)境溫度的升高而逐漸生長，生長前期可能對電容器本身特性沒有任何影響，當達到一定大小后，晶體會穿破氧化膜，導致片式鉭電容器徹底失效。所以該失效在前期不易被察覺，可能失效比率較低，可隨著時間的延長，失效率會迅速增加直到電容擊穿。

3.2 電流型失效

電流型失效常見于片式鉭電容器漏電流異常且值遠大于正常值。主要原因是片式鉭電容器氧化膜上的瑕疵點逐漸惡化，造成介質層的漏電流增大甚至短路。在正常電路條件下，當電容器兩端施加工作電壓時，會擊穿瑕疵點處的氧化膜，瞬間產(chǎn)生大電流，造成局部升溫，如果溫度上升到400～500℃之間，將會發(fā)生如下化學變化：

瑕疵點導電性能良好的MnO2化學反應后轉化為導電性能差的Mn2O3，后，流過這個位置的電流將大大的減小，瑕疵點將被有效地“彌補”,鉭電容又可以正常地工作了，這種現(xiàn)象稱為鉭電容“自愈”特性。但處于充、放電過于頻繁的電路中，介質可能會被瞬時擊穿，無法自愈，導致突然失效。

3.3 發(fā)熱型失效

發(fā)熱型失效是指片式鉭電容器損耗太大導致熱量分布不均勻，局部熱量較大且無法散開，導致燒壞。在高頻時，電流未能均勻分布于鉭電容全部，電量只集中于鉭電容表面，如鉭電容的上、下肩部，該處不僅曲率很大，不利于導熱和散熱，而且MnO2層比較薄，電阻小，容易造成局部熱量過大，導致電容過熱燒毀。

4 改進措施

通過對片式鉭電容失效模式的分析，提出相對應的三個方面的改進措施：生產(chǎn)工藝改進、加強篩選和使用時注意事項。

4.1 生產(chǎn)工藝改進

根據(jù)片式鉭電容器結構（如圖5）與生產(chǎn)工藝[4]，提出改進措施：首先，需要提高鉭粉的純度，減少雜質；其次需要加強對介質氧化膜生產(chǎn)工藝的改進，提高氧化膜的質量，降低氧化膜“晶化”的可能。

介質氧化膜生產(chǎn)工藝的改進，可以通過提高電解質溶液在多孔介質微孔中的滲透性和粘接的緊密性，提高介質氧化膜與電解物膜層的粘結強度；控制化學反應速度，以減少氧化物膜層內(nèi)和界面之間的微孔；改進片式鉭電容器封裝工藝等措施。

圖5 片式鉭電容結構示意圖

4.2 加強篩選

在實際使用當中，我們經(jīng)常碰到的問題是：購買的鉭電容的漏電流都合格，但是，在使用時卻發(fā)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品的失效率差別非常大。造成這種現(xiàn)象主要有兩個原因：其一是國內(nèi)生產(chǎn)廠鉭電容漏電流技術標準都是直接照搬ICE國際電工委員會的標準，IO≤0.01CU，實際上該標準過于寬泛，按照此標準，誰都能生產(chǎn)出性能合格的鉭電容；其二是不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品盡管電壓、電容標記一樣，實際上由于工藝生產(chǎn)水平千差萬別，漏電流差別非常的大。因此在使用前加強鉭電容篩選尤為重要。通過對電容器的可靠性篩選，剔除有缺陷和早期失效的電容，使產(chǎn)品進入浴盆曲線的偶然失效區(qū)。如圖6所示。

圖6 浴盆曲線

4.3 使用時注意事項

根據(jù)鉭電容失效模式，可以看出，使用鉭電容時，應該避免過壓、過流、溫度過高。一般情況下，片式鉭電容電壓必須按GJB/Z35《元器件降額準則》或產(chǎn)品手冊進行降額，將其使用電壓設定在額定電壓的以下。在使用片式鉭電容器時，還應注意環(huán)境溫度對電容器電壓降額的影響，避免因溫度過高造成“閃火”現(xiàn)象，甚至燒毀。

5 結束

片式鉭電容器雖然以容量大、體積小、高可靠性而被廣泛應用，但漏電流大的問題也偶爾發(fā)生，一旦發(fā)生會對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生嚴重影響。片式鉭電容器漏電流的可靠性不僅與片式鉭電容器固有可靠性有關，而且與使用和工藝加工過程有很大的關系。本文通過對片式鉭電容器漏電流的影響因素、失效模式的分析，從生產(chǎn)工藝、篩選、使用時注意事項等方面，提出了提高片式鉭電容器使用可靠性的具體措施。