采用老化新方法 提高钽电容器可靠性

提高钽电容器可靠性的一种方法

钽电解电容器是电子信息工业中应用广泛的基础元件，在电路中起到耦合、滤波、降噪等功能，具有漏电流小，高温稳定性好，频率特性好、可靠性高等优点。老化是钽电容器生产过程中关键工序，目的是使具有轻缺陷的电容器自愈恢复，有重缺陷的电容器提前失效淘汰。自愈是钽电容器的特性，具有较多缺陷的电容器在限制电流的老化过程中也发生自愈，但其可靠性会降低，易发生早期失效。本文就电容器自愈机理、传统老化方法的缺陷以及为改进老化方法而设计电路，提高钽电容器早期筛选效率和钽电容器可靠性方面进行讨论和分析。

一电容器老化自愈机理

钽电容器有多种类型，它是以钽金属粉末烧结体为阳极，经过电化学氧化在钽金属上生成电介质氧化膜Ta2O5，其中以MnO2为阴极电解质的称固体钽电容器，以高分子聚合物为阴极电解质的是聚合物钽电容器，以液体为阴极电解质的称液体钽电容器，在加载老化过程中都会发生不同程度的自愈：

固体钽电容器的阴极板是MnO2沉积在Ta2O5电介质表面，Ta2O5电介质是在钽金属表面阳极氧化生成，Ta2O5电介质膜上总会有微小疵点，当电容器在加载下漏电流会集中流过介质中小疵点处。集中的电流会引起细微部分的温度明显升高。当局部MnO2的温度超过380℃它开始释放氧，变成具有较高电阻率的还原态，如Mn2O3。

2MnO2---→Mn2O3 +O

此时通过疵点的电流被限制，我们称这种效应为自愈 [1]，MnO2 的电阻率在（1－10ohm/cm3）而Mn2O3的电阻率（106－107ohm/cm3）。当MnO2受热释放氧然后转变成Mn2O3的过程需要很少的时间，但不会立即发生，前提是电路电流是否被限制是关键。当电介质膜上疵点部位比较多，同时电路中电阻值很低，流入电容器疵点的电流没有限制，电流不断增加温度持续升高MnO2开始释放氧，大约在500℃左右，疵点处的Ta2O5电介质从绝缘的非晶态型转变为导电的晶态型，能通过更多电流和产生更高的温度，向周围迅速扩散。热量传到钽基体金属中，钽基体迅速发生氧化反应。快速氧化产生巨大热能不久链式反应遍布钽金属基体，引起电容器燃烧。当电路中有较高的电阻，就会限制流过疵点部位的电流，MnO2的自愈特性能限制电流并把小疵点的区域与周围部分隔开，不会导致连锁反应。对老化期间剔除的漏电流大的电容器用酸清洗后可以看见，钽基体介质氧化膜表面分布多个颜色异常的点。

图（1）是研究小组通过对MnO2阴极钽电容器25V10μF做击穿电压试验，模拟电容器自愈及击穿过程。采用直流电源、自动记录仪和自制试验电路连接到电脑上，该装置具有升压速率可设定，电源的输出电流可调。本图是以10V/min自动升压观察随着电压升高，被测电容器的电流发生多次突然瞬间变化的自愈现象直至电容器被击穿。在试验中发现被测的电容器中40％会发生自愈现象，但出现电流瞬间变化次数不一样，有的电容器只出现1次，而

有的则出现多次，60％的电容器在击穿前没有观察到电流发生瞬间变化，直至电压击穿下降，电流上升为电源的输出电流。

图1 电容器发生多次自愈时的漏电流的瞬间变化曲线

二传统老化方法

电容器老化是对电容器施加温度和电压应力使有轻微缺陷产品自我修复和加速重缺陷产品早期失效的一种方法。通常在85℃、施加1.2－1.5倍额定电压或在125℃、施加额定或降额电压进行老化，常用两种老化方法：1、在老化电路上对每只电容器串连1000－2000欧姆的电阻，当电源对电容器施加负载时电阻限制电容器的充电电流，这种方式称有阻老化；

2、老化电路没有保护电阻，电源直接对每只电容器施加老化电压，电路中的短路电流为电源最大输出电流，这种方式称无阻老化。这两种老化方法都存在一定缺陷，有阻老化时，有缺陷的电容器电流增大时，电路高电阻分压使该只电容器老化电压下降电流减小，使产品不能正常加载老化电压，较小的电流可以使电容器产生自愈而得到修复；无阻老化时有缺陷电容器的漏电流增大会引起电路电流增加，当电流持续增加时就会突然引起有缺陷电容器的过热燃烧和击穿，如果是片式钽电容器因为电容器在引线框架上密度较高，失效燃烧的电容器瞬间产生的几百度的高温还会通过引线的公共极迅速传导给相邻的电容器，导致相邻电容器温度升高电流变大击穿甚至又发生燃烧，燃烧释放的烟雾会污染相邻的电容器，造成更多的外观废品。此时，生产只能中断剔除有缺陷产品重新加载，影响了生产效率。

用有阻老化方法，电容器漏电流的合格率较高，因为电路电阻保护了有缺陷的电容器，使其自愈漏电流合格。但是这部分漏电流合格的产品，可靠性存在问题。试验证明发生过多次自愈的电容器中约有40％－60％的产品在寿命或加速寿命试验中会发生漏电流早期失效，因此必须在老化期间检测和剔除有缺陷的产品。

三新老化方法和电路原理

通过对传统老化方法的分析，研究小组设计了一种新的老化电路，可动态监测老化过程中流过产品的电流，当电流超过设定值时电路会限制流过产品的电流，记忆并切断其电流，阻止了该只产品继续发热及燃烧的发生，保证老化工艺执行。老化结束后将对应指示灯亮的产品剔除，克服了传统老化方法不能找到有缺陷产品的问题。提高了产品的可靠性和综合成品率。

1．电路原理如图3所示：，

电路中 Vss取负5V，Vdd为负的老化电压，Q2、Q3截止时R6上分压应小于1V，否则加电Q2、Q3即导通，电路无法工作。先加上Vss，缓慢的使Vdd达到设定值以防止充电电流过大使Q2导通。由于R2、C1延时作用，Q2、Q3截止，Q1饱和导通，电容器正常加载老化，正常的电容器漏电流很小，R1电压远小于Q2导通门限电压0.7V， Q1、Q2截至老化电容器正常加载；当某只正在老化的电容器短路或漏电流增加到一定值时，R1压降超过Q2导通门限电压，Q2、Q3导通，LED点亮，R1、R3的电压维持Q2、Q3导通。同时Q1截止切断C X电源。防止电容器过流燃烧。因为剔除了所有电流大的产品，所以老化后合格的产品中不存在有缺

陷产品，从而提高了产品可靠性。R2、C1用作防止干扰和延时，调整R2、C1值可改变延时时间。R1为漏电流取样电阻，改变R1值可改变通过电流的阀值。

2 新老化电路的特点

在高温85℃或125℃环境中，电容器通过直流老化电源加载过程中，如果某只电容器漏电流增大到某一值时（本电路设计600微安，此电流值可根据电容器规格要求选择电流范围），电路会瞬间（几个到几十个毫秒）切断该只电容器的电流，同时LED发光，限制电容器漏电流持续增大导致电容器过热，不会影响相邻电容器的正常老化。在老化结束时把LED 灯亮所对应电容器剔除即可，本电路可改变电流设计参数适用于固体电容器、片式电容器、聚合物电容器和液体电容器等元件的老化。

四新老化方法使用及效果评价

选取规格25V47μF、6.3V330μF 、10V220μF 35V10μF等生产技术难度较大的片式钽电容器应用新老化电路，并对在新老化板上LED灯亮剔除的废产品在常温检测时按标准I ≤KCU(I-漏电流、K系数固体电容器为0.01、C-电容量、U－额定电压)，用漏电流测试仪（TH2685C）施加额定电压、充电3秒读漏电流值，对其中漏电流值合格的产品我们称其为缺陷产品，进一步比较其加速寿命试验、高温特性试验等项目中的数据。其中加速寿命中的加速因子依据《GJB2283-95有可靠性指标的片式固体电解质钽电容器总规范》，Ua/Ur=1.2 ,对应加速因子42.7128，加速寿命项目合格判据为失效数0 只。

1、取25V47μF产品1200只随机分成两组在相同条件下用传统无阻老化方法，废品数44只废品率为7.3％（其中因失效燃烧造成相邻电容器外观污染废品19只，占3.1％），而用新老化方法，在老化板上发光管灯亮剔除废品25只，废品率4.2％（无外观废品）。

2、取6.3V330μF D壳5批次、10V220μF D壳4批次、20V100μF E壳4批次、25V47μF D壳5批次、35V10μF D壳2批次电容器用新电路老化方法后，产品全部通过43小时85℃1.2倍额定电压加速寿命试验的评价，而同期使用传统老化方法的产品有10％左右批次不能通过加速寿命试验。

3、取10V220μF电容器采用新老化电路对剔除的电容器做浪涌试验，条件为：各取12只做30秒冲电30秒放电、85℃浪涌电压13V循环1000次和125℃浪涌电压8.2V循环1000次，在125℃下有5只电容器短路。正常的产品全部通过浪涌试验。

4、取25V47μF电容器用新老化方法，对剔除的产品24只做加速寿命试验，有2只短路，其余产品漏电流增大，而正常产品加速寿命试验后漏电流减小。（测试条件为漏电流测