影響非固體電解質(zhì)鉭電容器漏電流變大的因素

引言

鉭電解電容器因其容量大、體積小、電性能優(yōu)良、工作 溫度范圍寬、可靠性高，在通信、航天等領(lǐng)域被廣泛選用。 在筆者去年生產(chǎn)的產(chǎn)品中連續(xù)出現(xiàn)兩例CA35型非固體電解質(zhì) 鉭電容器失效現(xiàn)象，失效模式為漏電流超標(biāo)，要求漏電流小 于1 uA,實(shí)際測(cè)量達(dá)到28 uA,影響產(chǎn)品整機(jī)性能。為搞清 楚電容器漏電流超標(biāo)的原因，筆者走訪電容器生產(chǎn)廠家，查 閱大量資料，了解了電容器生產(chǎn)過(guò)程控制及電容器在使用中 注意事項(xiàng)，現(xiàn)將其整理，以供遇到類(lèi)似問(wèn)題的技術(shù)人員參考。

1非固體鉭電解質(zhì)電容器的制造工藝過(guò)程

非固體鉭電解質(zhì)電容器的主要的生產(chǎn)工藝過(guò)程包括成型、 燒結(jié)、形成、裝配、老化五個(gè)過(guò)程。電容器按陽(yáng)極設(shè)計(jì)要求, 將鉭粉壓制成型，并插入鉭絲作為陽(yáng)極引出的過(guò)程為成型。在 高溫高真空條件下，獲得具有合適空隙度的高純鉭塊的過(guò)程為 燒結(jié)，燒結(jié)后如圖1所示。

用電化學(xué)方法在鉭陽(yáng)極表面生成一層氧化膜，作為電容 器的介質(zhì)的過(guò)程是形成。形成后如圖2所示。

將非固體電解質(zhì)鉭電容器采用銀或鉭外殼封裝，殼內(nèi)灌 注電解液（電解質(zhì)）作為電容器的陰極的過(guò)程稱(chēng)為裝配。對(duì)電 容器100%高溫電老化，修復(fù)氧化膜，使電容器的性能趨于穩(wěn) 定，剔除早期失效產(chǎn)品，提高電容器的可靠性的過(guò)程為老化 過(guò)程。

由電容器的制造工藝不難看出，電容器是由陽(yáng)極（鉭絲）、介質(zhì)（氧化膜）、陰極（電解液）組成。

2工作介質(zhì)對(duì)漏電流的影響

非固體電解質(zhì)鉭電容器的工作介質(zhì)為在鉭塊表面用電化 學(xué)方法生成的一層氧化膜Ta2O5, Ta2O5氧化膜系無(wú)定形結(jié)構(gòu), 它的離子呈不規(guī)則無(wú)序排列。理想中的電容器介質(zhì)應(yīng)是完美 無(wú)缺的薄膜，其厚度以納米計(jì)，僅有幾十至幾百納米，它的絕 緣電阻可達(dá)幾百兆歐以上，氧化膜越厚，其耐壓也越高。而實(shí) 際上Ta,。,表面存在各種微小的疵點(diǎn)、空洞以及隙縫之類(lèi)的缺 陷，漏電流就是通過(guò)這些缺陷的雜質(zhì)離子電流和電子電流所 組成。正常情況下，漏電流值很小，但是如果電流較大，在試 驗(yàn)的高應(yīng)力下，電應(yīng)力集中，電流密度大，使疵點(diǎn)周?chē)难趸?膜“晶化”，擴(kuò)大了疵點(diǎn)面積，介質(zhì)質(zhì)量進(jìn)一步惡化，絕緣電 阻下降，漏電流急劇增加。

3影響氧化膜質(zhì)量的因素

造成非固體電解質(zhì)鉭電容器漏電流的根本原因是陽(yáng)極氧 化膜出現(xiàn)缺陷，絕緣電阻下降所致，因此要控制漏電流，必 須對(duì)影響氧化膜絕緣性的各種因素進(jìn)行控制，影響鉭電容器氧 化膜絕緣性的因素主要有三個(gè)方面，一是制造電容器材料一一 鉭粉、鉭絲質(zhì)量的影響；二是電容器制造的工藝影響；三是 使用的影響。

3.1鉭粉、鉭絲的影響

鉭粉、鉭絲的化學(xué)性能、物理性能、雜質(zhì)含量、鉭粉的 顆粒形狀、大小，擊穿電壓，都直接影響鉭電容器的質(zhì)量。鉭粉、 鉭絲中的雜質(zhì)含量對(duì)形成氧化膜的質(zhì)量有很大的影響。鉭電 容器的陽(yáng)極芯子在成型時(shí)要經(jīng)過(guò)1 500?2 050 °C的高溫高真 空的燒結(jié)，燒結(jié)的目的之一就是去掉鉭粉、鉭絲中的雜質(zhì)，而 那些難熔的雜質(zhì)，如鎢、鑰、硅、鐵、銅等，在燒結(jié)時(shí)難以 完全去除，在形成氧化膜時(shí)成為疵點(diǎn)的“晶核”，成為導(dǎo)電通 道。所以，對(duì)鉭粉的雜質(zhì)含量要求極為嚴(yán)格，一般要求小于 10?50 PPM。鉭粉有很多種規(guī)格，是根據(jù)電容器的工作電壓， 分為高壓粉、中壓粉、低壓粉，各種粉的比容、物理性能、擊

穿電壓都有區(qū)別，在生產(chǎn)電容器時(shí)，必須根據(jù)電容器的規(guī)格, 合理、恰當(dāng)選用鉭粉，才能確保電容器的質(zhì)量。

3.2電容器制造工藝的影響

鉭電容器的生產(chǎn)工藝也直接影響鉭電容器的性能，尤其 是以下三個(gè)關(guān)鍵工序?qū)⒅苯佑绊戙g電容器的漏電流。

燒結(jié)工序，是將鉭粉成型并進(jìn)行高溫真空燒結(jié)，目的是 成型和提純，要通過(guò)1 500?2 050。。高真空燒結(jié)，去除雜質(zhì), 達(dá)到提純的目的。如果提純效果不佳，殘留的雜質(zhì)在鉭陽(yáng)極 芯子中，將成為介質(zhì)膜中的“晶核”，是造成漏電流的隱患。

形成工序，是將鉭陽(yáng)極放在電解液中，施加直流電壓， 電解液中的氧離子和鉭陽(yáng)極中的鉭形成Ta2O5膜層。在這一工 藝中，形成溫度過(guò)高、形成時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、升壓電流密度過(guò)大、形 成電壓過(guò)高都會(huì)對(duì)介質(zhì)氧化膜產(chǎn)生晶化點(diǎn)。形成工藝結(jié)束后, 要進(jìn)行形成效果檢驗(yàn)，特別是電容量和漏電流，必須達(dá)到工 藝要求，希望漏電流值越小越好。在形成工藝過(guò)程中，如某一 環(huán)節(jié)掌握不好，極易產(chǎn)生“晶化”現(xiàn)象，所以，形成工藝要求 制造完整的介質(zhì)膜層，又不能出現(xiàn)“晶化”現(xiàn)象。

篩選工序，是對(duì)鉭電容器的成品采取進(jìn)一步加嚴(yán)檢驗(yàn)的 工藝，通常采用高、低溫篩選、長(zhǎng)時(shí)間高溫老練篩選以及X 光透射檢查等。特別注意篩選的溫度及電壓要選擇的適當(dāng)， 太低不能有效剔除缺陷電容器，太高，又會(huì)導(dǎo)致本來(lái)合格的 產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷而失效被剔除。

3.3電容器使用的影響

電容器的使用主要涉及兩個(gè)層面，一是設(shè)計(jì)層面，二是 操作層面。

首先從設(shè)計(jì)層面考慮以下因素：

電容器要降壓使用。指電容器的實(shí)際工作電壓要低于電 容器的額定電壓，電容器長(zhǎng)期經(jīng)受較高工作電壓，氧化膜中 不可避免地存在著雜質(zhì)或其它缺陷，當(dāng)這些部位的場(chǎng)強(qiáng)較高, 電流密度較大，導(dǎo)致局部高溫點(diǎn)出現(xiàn)，從而留下誘發(fā)熱致晶 化的隱患。在金屬氧化物界面，由于金屬雜質(zhì)的存在，也可能 誘發(fā)場(chǎng)致晶化，隨著施加電壓的增加，電容器失效概率也增加， 因此為了電容器工作的可靠性及壽命，一般設(shè)計(jì)的實(shí)際工作至 多為額定電壓的70%。

避免反向電壓。不允許將非固體電解質(zhì)鉭電容器反接在 直流回路或接在純交流回路中。銀外殼的液體鉭電容器CA30、 CA35）加反向電壓會(huì)使銀外殼上的銀遷移至陽(yáng)極，沉積在氧 化膜上，幾時(shí)和很低的反向電壓和較低電流密度也能獲得枝 蔓似的銀沉積。而陽(yáng)極表面沉積的銀將構(gòu)成導(dǎo)電通道，從而

作者簡(jiǎn)介：王孝勃，（1976—），男,本科。高工，電裝工藝。 增加漏電流，進(jìn)而使介質(zhì)被擊穿致電容器失效。鉭外殼的液 體鉭電容器（CA38）可承受3 V反向電壓，因鉭外殼表面能 形成一層很薄的氧化膜，當(dāng)電容器被施加反向電壓時(shí)，鉭外殼 上的氧化膜處于正向偏壓狀態(tài)，因此仍可保證產(chǎn)品有較小的漏 電流。但更高的反向電壓仍會(huì)將全鉭液體鉭電容器擊穿。

遠(yuǎn)離功率發(fā)熱器件。電容器在電路板中布局時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離功 率發(fā)熱器件。當(dāng)電容器靠近發(fā)熱器件時(shí)，電容器長(zhǎng)時(shí)間工作 溫度升高，氧化膜中的雜質(zhì)離子遷移速度增加，導(dǎo)致漏電流 增大。

鉭電容器在電路中，應(yīng)控制瞬間大電流對(duì)電容器的沖擊, 建議串聯(lián)電阻以緩解這種沖擊。請(qǐng)將3 Q/V以上的保護(hù)電阻 器串聯(lián)在電容器上，以限制電流在300 mA以下，當(dāng)串聯(lián)電 阻小于3 Q/V時(shí)，則應(yīng)考慮進(jìn)一步的降額設(shè)計(jì)，否則產(chǎn)品可 靠性將相應(yīng)降低（如果將電路電阻從3 Q/V降到W 0.1 Q/V, 則失效率提高約10倍）。當(dāng)電容器用于紋波電路時(shí)，降額系數(shù) 至少應(yīng)為0.5。選用高頻鉭電容器時(shí)，限流串聯(lián)電阻阻值可適 當(dāng)降低（建議R> 3 Q/V）。

從使用操作層面應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

使用烙鐵（30 W以下）時(shí)，烙鐵尖端的溫度在350。。以 下，使用時(shí)間應(yīng)在3 s以?xún)?nèi)，并注意烙鐵尖不要碰到電容器本 體。焊接溫度過(guò)高或焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致電容器受熱沖擊, 超過(guò)電容器所能承受的最高溫度，電容器內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo) 致氧化膜受損，絕緣性能下降，漏電流增大。

對(duì)標(biāo)識(shí)不清的電容器嚴(yán)禁使用三用表測(cè)量。存在對(duì)電容 器施加反向電壓的風(fēng)險(xiǎn)，請(qǐng)將該電容器報(bào)廢。

電容器應(yīng)避免直接接觸水、鹽、油等的環(huán)境。雜質(zhì)離子 將電容器陽(yáng)極陰線與陰極連同，形成并聯(lián)導(dǎo)電通道，導(dǎo)致漏 電流增大。

4結(jié)語(yǔ)

非固體電解質(zhì)鉭電容器雖然以容量大、體積小、工作可 靠而被廣泛應(yīng)用，但漏電流大的問(wèn)題也偶爾發(fā)生，一旦發(fā)生會(huì) 對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響?？刂坡╇娏骶褪强刂蒲趸さ馁|(zhì) 量,本文分別從電容器制造、選用、使用過(guò)程給出了控制的因素, 希望能為遇到此類(lèi)問(wèn)題的技術(shù)人員分析解決問(wèn)題提供幫助。

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