王敏

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽，471003）

0 引言

隨著越來越多的電子設(shè)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(shè)備、計(jì)算機(jī)、汽車電子等都有著廣泛的應(yīng)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(biāo)。因此，解決漏電問題是提高片式鉭電容器可靠性的關(guān)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(yīng)的改進(jìn)措施。

1 片式鉭電容器漏電流簡介

當(dāng)電容器施加直流電壓時(shí)，充電電流開始很大，逐漸隨時(shí)間而下降到某一值后達(dá)到較穩(wěn)定的狀態(tài)，這個(gè)值稱為漏電流。一般漏電流最大容許值表達(dá)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(zhì)的絕緣電阻不是無限大和介質(zhì)存在的缺陷（雜質(zhì)）產(chǎn)生的。因此漏電流表征電容器的絕緣質(zhì)量，是片式鉭電容器中最重要的電氣參數(shù)，相當(dāng)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(gè)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(zhì)量，影響漏電流大小。鉭粉在制造過程中不可避免的會(huì)引入雜質(zhì)，主要有鐵系金屬、碳（C）、氫（H）和氧（O）、氮（N）和硅（Si）等雜質(zhì)。片式鉭電容器在生產(chǎn)過程中，使用的不銹鋼容器會(huì)造成鐵系金屬混入鉭粉，其含量如果大于250ppm，漏電流就會(huì)急劇增加。由于鐵系金屬熔點(diǎn)比較低，真空燒結(jié)時(shí)可以有效的減少其含量。碳是鉭粉中混入較多的雜質(zhì)，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(jié)時(shí)，氫氣大部分可以釋放出去，但吸附于鉭粉表面的氧會(huì)向鉭內(nèi)部擴(kuò)散，過剩的氧與鉭粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生Ta2O5，造成漏電流增大。在燒結(jié)過程中，氮與鉭粉反應(yīng)生成TaN和Ta2N，會(huì)增大電容器的漏電流。硅是鉭粉中存在最多的雜質(zhì)，當(dāng)硅的含量高于150ppm時(shí)，漏電流會(huì)顯著增大。因此，片式鉭電容器漏電流的大小對鉭粉雜質(zhì)含量要求極為嚴(yán)格，一般要求小于10～50PPM。在生產(chǎn)片式鉭電容器時(shí)，必須合理、恰當(dāng)選用鉭粉純度，才能確保電容器的質(zhì)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(gè)關(guān)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(jié)鉭粉，去除雜質(zhì)，達(dá)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(zhì)，會(huì)造成氧化膜疵點(diǎn)，導(dǎo)致漏電流增大。

賦能工序：將鉭芯放在電解質(zhì)中，以鉭芯接陽極，電解質(zhì)接陰極，施加電壓，形成Ta2O5膜層。在這一工序中,電解質(zhì)的配方及溫度、電壓、升壓電流密度、恒壓時(shí)間等都必須嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)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(zhì)膜層，又不能出現(xiàn)“晶化”現(xiàn)象。

圖1 無晶化點(diǎn)的介質(zhì)氧化膜圖樣

圖2 有晶化點(diǎn)的介質(zhì)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(zhì)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(gè)方面，一是溫度的影響；二是施加電壓大小與持續(xù)時(shí)間的影響。

2.2.1 溫度的影響

當(dāng)給產(chǎn)品施加額定電壓，溫度自室溫逐漸升高時(shí)，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(zhì)離子的遷移能力隨溫度上升而急劇加強(qiáng)，從而留下誘發(fā)介質(zhì)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(shí)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(zhì)原因是當(dāng)施加電壓增高而膜厚不變時(shí)，相應(yīng)的膜上的電場強(qiáng)度將隨電壓的增高而加強(qiáng)，當(dāng)場強(qiáng)達(dá)到某一定值后，弱束縛著的雜質(zhì)離子也將隨著電壓增加而增多參加導(dǎo)電數(shù)目，導(dǎo)致漏電增大[3]。

圖3 漏電流與施加電壓的關(guān)系

此外，漏電流的大小與充電時(shí)間也有關(guān)系時(shí)間，如圖4所示。片式鉭電容器兩端剛加上電壓時(shí)，漏電流很高，隨著加壓時(shí)間的增加，漏電流急劇減小，最后達(dá)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(shí)間的關(guān)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(dǎo)致介質(zhì)氧化膜擊穿。鉭粉中有雜質(zhì)，形成瑕疵點(diǎn)，該瑕疵點(diǎn)長期經(jīng)受高工作電壓，造成場強(qiáng)較高，電流密度較大，局部高溫點(diǎn)出現(xiàn)，當(dāng)溫度升高時(shí)，便促進(jìn)了瑕疵點(diǎn)“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(dāng)達(dá)到一定大小后，晶體會(huì)穿破氧化膜，導(dǎo)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(shí)間的延長，失效率會(huì)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(yuǎn)大于正常值。主要原因是片式鉭電容器氧化膜上的瑕疵點(diǎn)逐漸惡化，造成介質(zhì)層的漏電流增大甚至短路。在正常電路條件下，當(dāng)電容器兩端施加工作電壓時(shí)，會(huì)擊穿瑕疵點(diǎn)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(huì)發(fā)生如下化學(xué)變化：

瑕疵點(diǎn)導(dǎo)電性能良好的MnO2化學(xué)反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電性能差的Mn2O3，后，流過這個(gè)位置的電流將大大的減小，瑕疵點(diǎn)將被有效地“彌補(bǔ)”,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(zhì)可能會(huì)被瞬時(shí)擊穿，無法自愈，導(dǎo)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(dǎo)致熱量分布不均勻，局部熱量較大且無法散開，導(dǎo)致燒壞。在高頻時(shí)，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(dǎo)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(dǎo)致電容過熱燒毀。

4 改進(jìn)措施

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

4.1 生產(chǎn)工藝改進(jìn)

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

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

圖5 片式鉭電容結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 加強(qiáng)篩選

在實(shí)際使用當(dāng)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(shí)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(gè)原因：其一是國內(nèi)生產(chǎn)廠鉭電容漏電流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是直接照搬ICE國際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，IO≤0.01CU，實(shí)際上該標(biāo)準(zhǔn)過于寬泛，按照此標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)記一樣，實(shí)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(qiáng)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(jìn)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(shí)注意事項(xiàng)

根據(jù)鉭電容失效模式，可以看出，使用鉭電容時(shí)，應(yīng)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(zhǔn)則》或產(chǎn)品手冊進(jìn)行降額，將其使用電壓設(shè)定在額定電壓的以下。在使用片式鉭電容器時(shí)，還應(yīng)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(jié)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(yīng)用，但漏電流大的問題也偶爾發(fā)生，一旦發(fā)生會(huì)對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生嚴(yán)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(guān)，而且與使用和工藝加工過程有很大的關(guān)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(shí)注意事項(xiàng)等方面，提出了提高片式鉭電容器使用可靠性的具體措施。