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“钽电容器的可靠性和关键应用”学习小结

“钽电容器的可靠性和关键应用”学习小结
(内容供参考,以英文原文的内容为准)
(钽电容器本来是一种稳定性、可靠性很高的电容器,它刚开始所以主要应用在军工产品上,除了它的价格比较贵以外,更重要的原因是它的可靠性。但是,我们生产的钽电容器,主要是片式钽电容器,总有上机以后发生爆炸烧毁等恶性质量事故出现。使用在电源滤波或去耦等低阻抗电路中,容易发生此类故障,这是客观原因。但是,产品的内在原因在哪里?如何预防?这是需要我们认真思考和努力解决的重大问题,因为这个问题,像AVX和KEMET这样的公司已经基本解决了。我们要进行大批量生产,要进入更多、更大的客户,必须要及早解决这个问题,否则,产品没有市场,公司也就没有出路。解决这个问题非常迫切,很有必要参考同行的经验,为此,再次推荐KEMET的这篇技术文章。
本文是对KEMET技术文章“钽电容器的可靠性和关键应用”翻译的总结摘要,这篇技术文章主要讨论了钽电容器可靠性的关键技术问题
——提高钽电容器介质Ta2O5的稳定性、可靠性。
文章首先提出了使Ta2O5介质恶化的两个主要原因,这为以后讨论改善Ta2O5介质的可靠性提供了理论基础。
文章接着对钽电容器关键应用的两个方面——提高使用温度和提高使用电压,对Ta2O5介质的负面影响提出了看法。
随后,文章对改善Ta2O5介质——提高钽电容器的可靠性提出几项措施。
文章还介绍了聚合物阴极钽电容器的优点。
最后,文章提出了对钽电容器进行筛选的必要性和筛选的项目——加速老化、浪涌测试和再流焊试验)
 
一、钽电容器的主要优点
1、体积小、容量大;
 2、对电压和温度的高稳定性;
3、长期稳定性(高可靠性)。
二、钽电容器的主要缺点
1、钽电容器的关键成分Ta2O5介质固有的受热应力会不稳定;
2、使用电压低,抗浪涌电压和浪涌电流能力差。
3、ESR相对较大。
 
三、提高钽电容器的可靠性关键是提高Ta2O5介质的可靠性
1Ta2O5介质的不稳定性原因:
1)Ta2O5和Ta依照Ta-O均衡模式图,形成非-均衡对相。氧从Ta2O5介质迁移到Ta阳极,成为一种缓和热力学稳定状态方式,发生在Ta./ Ta2O5界面的邻近区域。这种过程导致Ta2O5薄膜层中氧空缺的积聚,因此,造成介质的退化。
2)钽电容器中Ta2O5热应力不稳定的第二个原因是它的非结晶的结构。伴随无非结晶结构的电子陷阱,减少了强电场中电子的活动性,因此,防止介质击穿。另一方面,非结晶的介质本能地倾向排序和结晶化,以减少它们内在的能量。当在薄膜非结晶的矩阵内生长晶体物时,由于非结晶体和结晶体相之间体积的差异,它们之间会产生机械应力。最后,这种应力导致介质的分裂,这是钽电容器恶性故障的主要原因。
解决以上钽电容器可靠性和Ta2O5介质的热应力不稳定性之间矛盾的方法是:
1)减少氧的迁移比率,通过来自阴极的氧补偿介质中的氧空缺;
2)抑制结晶化过程。
 
四、钽电容器的关键应用——提高温度和提高电压
1、提高温度对Ta2O5介质层的危害
温度增加以指数方式加速了Ta2O5介质层中氧的迁移和结晶化过程。
在非固体钽电容器中,为了解决这些问题,对高温钽电容器已经开发了专门的技术。这种技术集中解决Ta2O5介质、它与阳极和电解液界面的稳定问题,包括改善阳
 

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极制造工艺、以及介质的形成和热处理。用这种技术制造的电容器成功地通过了200℃寿命测试,电气参数没有任何值得注意的变化。
2、提高电压对Ta2O5介质层的危害
高压钽电容器的主要问题是在这些电容器中的非结晶介质是非常容易变成结晶化。高压钽电容器的技术改善集中在非结晶介质的抑制结晶化上。结晶化开始于非结晶Ta2O5相的小核酸酶,在作赋能处理时,在Ta2O5膜内部的钽阳极的表面形成。这些结晶化核酸酶的大小和密度与在钽阳极中的杂质——例如铁、碳和氧——的浓度成正比。阳极表面的机械伤害也引起结晶化过程。
五、如何改善:
1、改善阳极制造技术。
使它们在成型和烧结过程中钽阳极的污染和伤害减到最小。特别要注意减少阳极中来自有机粘结料中碳的含量、阳极中氧的含量和自然表面氧化物。
2、烧结后阳极钝化。
使自然表面氧化物的厚度减到最小。烧结后钽阳极高纯度表面导致Ta2O5薄膜非结晶矩阵中的初始晶体的体积和浓度变小。
3、赋能后阳极的热处理。
它破坏阳极表面的初始晶体,因此中断它们进一步生长。
4、控制赋能电压。
赋能时,CV起初随赋能电压而增加,到一定电压后随电压而减少,其形状类似抛物线,在CV滚动下降电压范围内进行阳极赋能,可以对钽电容器的可靠性产生不良影响。这是因为电流密度增加部分地侵蚀钽粉颗粒之间的“颈”和非常细的毛孔,造成局部温度增加,因此刺激Ta2O5介质膜,非结晶矩阵局部结晶化。
5、改善烧结工艺
在传统的烧结工艺中,这两个结构要素——钽粉颗粒之间的颈和小孔,是互相
 
矛盾的。比较高的压制密度和烧结温度导致更好的厚的颈,但是由于阳极的收缩,小孔变小了。反之,降低压制密度和烧结温度,导致更大的孔,但是烧结颗粒之间的颈变薄了。
这种矛盾可以通过结合去氧烧结(所谓的Y-烧结)来解决,当在低温进行表面扩散时,使颈随着小孔储存的增加同时生长。用这种形态试验的阳极证明有更稳定的CV,因此,比起用传统烧结控制阳极,有更高的储存能量。预期可以在使钽阳极的一致上进一步改善这种工艺,包括使用钽薄片和细丝。
六、新的筛选技术
1、为什么要筛选
1)因为,即使使用最高纯度的原材料、先进的技术和最精密复杂的机器,不能保证所有的成品电容器有理想的、无瑕疵的Ta2O5介质。由于偶然的污染或来自机械故障或人为因素,有些成品电容器在它们的Ta2O5介质上有缺陷。
2)在介质上隐藏的缺陷,在生产线老化过程中又没有被修复,在最终的电气测试中未被发现,在现场应用中可能日益恶化,并引起电容器发生故障。那就是为什么在钽电容器制造过程中要通过筛选来展示介质中隐藏的缺陷,筛选出不可靠的产品。
3)当强化试验时,可以使一般电容器的性能和可靠性恶化,在测试中可以发现。
这就是为什么开发出专门的筛选技术,将在介质中隐藏缺陷的不可靠的电容器筛选出来,而不损害一般电容器。这种技术也可以筛选特殊用途、甚至不允许有最小故障率可能性的、最可靠“宇宙空间质量”的电容器。
2、如何筛选
1)加速老化(老化对产品质量和可靠性的重要作用是不言而喻的,我们对此重视不够,从我们对CA42产品老化工序的管理上得到反应。产品的漏电流不稳定和到客户处爆炸烧毁问题的增加,是否与此有一定关系。CA45是否也应该特别
 
注意老化工序的管理。)
2)浪涌测试(据我从资料上了解,为提高可靠性,KEMET和AVX对许多系列的钽电容器都进行100%的浪涌测试,特别是对高可靠性的产品一定进行100%的浪涌测试。从AVX的资料看,他们的产品在未进行浪涌测试前,产品的浪涌故障是千分之几,而我们产品过去几年是百分之几,也就是说我们产品的可靠性本来就比AVX的至少差一个数量级。AVX尚且对他们的产品进行浪涌测试,如果我们的产品要进入重要的大客户,更没有理由不对产品进行浪涌测试。)
3)回流焊试验(钽电容器的Ta2O5介质除了容易因浪涌电压或浪涌电流这样的电应力而损坏、击穿、烧毁外,也容易因热应力而发生同样的故障——这在上面的故障原因分析中已经说得很清楚,也被实践中的事实所证明——产品经过客户高温焊接后,故障增加。因此,为了剔除具有这样隐患的产品,AVX、KEMET毫无例外地对产品进行100%的再流焊试验——模拟客户的焊接工艺条件,试验后再对产品进行100%的电气参数测试。——这恐怕是避免产品到客户中因焊接而发生质量问题的有效办法——到目前为止是可以看到的唯一办法。)
    电源中的滤波电容器和电子电路中的去耦电容器,是钽电容器一个很大的应用领域——或称主要领域。我们的产品,原来由于可靠性不高,前几年在这类应用中频频发生爆炸烧毁恶性质量事故,丢掉了许多客户。我们是否也可以像AVX和KEMET公司那样,从前工序、老化、浪涌测试、回流焊试验上做些功夫,也开发出高可靠的钽电容器呢?否则,我们产品的市场就将被大大压缩。
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