片式固体电解质钽电容器常见的失效方式

片式固体电解质钽固定电容器常见的失效方式

1、过压失效

钽电容器使用在电路中时，在正常的工作电压以外，还要受到浪涌电压和电流的冲击。因此，工作时时实际加在产品上的电压=浪涌电压+工作电压+交流纹波电压。由于使用电路中的阻抗不一样，因此，当电路阻抗较低时，实际的浪涌电压在瞬间可以达到1.5-2.5倍的稳态工作电压。因此，使用在低阻抗电路中时，考虑到开关瞬间的浪涌冲击电压会远超过产品容许承受的电压冲击，因此稳态的工作电压不能超过额定值的1/3。否则，产品就非常容易出现瞬间的过压而击穿。因此，在电路设计时必须为不断产生的浪涌留出电压余量。

在具体使用时，由于电路产生的热量积聚，产品工作时环境温度有可能达到50度以上，因此实际使用电压必须考虑到温度升高会导致产品的漏电流增加的问题。因此实际使用电压应该更低。在不同温度下产品应该使用的工作电压和失效率关系如下；

由于钽电容器漏电流随温度的增加而增加。工作在温度较高时，最大工作电压Vmax必须降额，合适的降额幅度可以从下面的公式中求得：

式1：

Vmax=( 1-(T-85)/125)×VR

这里：T 是要求的工作温度

值得注意的是上述公式只适用于高阻抗电路。同时上述公式并没有考虑交流分量和浪涌的影响，因此当使用温度较高时，必须使用更大的降额电压才电阻能稳定可靠地工作

如果只强调温度和电压，固体钽电容器的现场故障率可以从下面的表达式中计

算出来：

λ=λ0(V/V0)3×2(T-T0)/10

这里：

λ：实际工作条件下的故障率。

T：温度

V：实际使用电压

λ0：额定负载下的故障率。(1% /1000h)

T0：温度

V0：额定电压

测试条件：

温度：85 ℃

电压：额定电压

Rs：3Ω[要求的线路保护电阻]

不同的使用电压和不同的工作温度与产品的额定电压会导致出现不同的寿命，其计算方法如下；

相同规格产品高温时使用电压不同时产生的漏电流不同，其产品失效率MTBF[式中的F]的计算见下式3：

式中：

F U：工作电压和额定电压的修正系数=U1/U R（U1为实际工作电压）

F T：工作温度的修正系数=T1/T2（T1实际工作温度，T2为容许的最大工作温度85℃）

F R：电路总电阻

F B：基本的失效率（钽电容器的基本失效率是1%/1000小时）

F的单位小时

从上式中可看出，如果一个产品的工作温度较低，使用的电压也较低，那么它的失效率就非常低。从侧面同时也证明如果一只钽电容器的漏电流较小就相当于产品的降额幅度更大，相当与这只产品的实验电压低或使用温度低。如果一只产品的高温漏电流较小，其可靠性更高。

2 、浪涌失效

当钽电容器使用到开关电源电路中时，由于电路电阻很低，因此，电路中在开关的瞬间会产生1.5-2.5倍的瞬间浪涌电压和浪涌电流。而不同规格产品的ESR值一定，因此不同规格产品能够耐受的电流如下式；

I=U R/（1+ESR）

式中：U R为产品的额定电压

在产品的ESR一定时，如果浪涌电流过高，产品也会因迅速的发热而导致击穿失效。因此，使用在此电路中时，稳态的工作电压不能大于1/3额定电压。同时还必须在电路设计时保证产生的直流浪涌值不大于产品容许的浪涌值。如果不遵守此基本原则，产品就会失效。

3、反向击穿

钽电容器是典型的极性元件，由于其介质层特殊的物理结构，它基本不能承受反向电压。当被施加反向电压，反向电流会破坏Ta2O5介质氧化薄膜，钽电容器漏电流变大会在使用过程中不断恶化，导致产品短路失效，该故障无法通过钽电容器的“自愈”功能恢复正常。

这里引用的反向电压值是指在任何时候出现在电容器上的最大反向电压。这些

极限建立在假定电容器在其工作期间的极大多数时间内极性正确的基础上。只是在短时间内极性反，例如出现在开关的瞬间外加波形的较小的部分。连续工作在反向电压下会导致漏电流大幅度增加甚至击穿。在有连续反向电压出现的场合，可以两个一样的电容器背靠背阴极连接在一起组成一个无极性电容器。在绝大多数情况下，这种组合是原来单个电容器容量的一半。在孤立脉冲或最初几个周期情况下，电容量可能接近正常值。设计的容许承受的额定反向电压要考虑到异常的情况，例如电压波形发生偏移变成不正确的电压方向。

正常情况下，可以瞬间加到电容器上的反向电压峰值不应该超过：

在25℃时，额定直流工作电压的10%，最大为1V。

在85℃时，额定直流工作电压的3%，最大为0.5V。

在125℃时，额定直流工作电压的1%，最大为0.1V。

因此，如果电路中的反向电压较大，会导致快速的DCL增加而失效。值得提醒的是，当产品使用到开关电源滤波电路中时，开关的瞬间除了较高的直流浪涌电压，电路中的交流波幅会瞬间达到稳态的直流工作电压的1/2--2/3。这非常危险。在通电的瞬间，两极板表面极性相反的电荷分布在极化完成后才能使定向电流呈阻隔性，才能开始储能并正常工作。在开始极化的前期[500毫秒以内]，电容器实际上呈通路状态，随电荷极化完成后的均匀分布，产品的阻直通交特性才开始呈现。由于产品本身固有的电阻值较大，一般在0.02-5Ω范围，因此当遇到极短时间的大电流[浪涌电流呈此特点]冲击时，固有的电阻会迅速发热，这些热量会阻止极板间电荷的极化速度，并使极化的完成效率大为下降。当电流过大时，会导致极化失败，从而出现击穿现象。影响极化速度的另一个原因是产品本身的串连电阻，当等效串联电阻较大时，瞬间产生的热量也较多，因此产品更容易出现击穿。这个在极短时

间产生的很大的浪涌电场[几十微秒]下，交流成分产生的热量并不随极板两边电荷的极化速度而改变，它产生的能量密度由于浪涌产生的时间非常短而非常大[能量密度与浪涌产生时间成反比]，如此在极短时间内集中的能量由电阻转化后产生的热量对产品内部的热冲击也是毁灭性的，因此根据产品本身的阻抗值的大小必须限定产品在使用时的浪涌电流极限和使用电压极限及交流分量的幅值高低。否则产品不光可靠性无从谈起，正常的工作都不能保证。失效就会成为必然。

4、纹波电压、纹波电流

电路中纹波电压/电流经过钽电容器产生功率损耗，使钽电容器自身温度升高，持续通电后当产生的热量足够大时，就能够把五氧化二钽绝缘层烧毁，并进一步使漏电流增大，形成恶性循环，最终造成电容器击穿失效。

5、热冲击

热应力会导致钽电容器内部介质层出现损伤并在通电后出现故障。由于钽电容器内部各介质层以及环氧树脂外壳的膨胀系数不同，在高温环境下内部各介质层会因膨胀系数差异而出现机械应力冲击，这一应力冲击会导致钽电容器内部介质层出现损伤并在使用之后出现短路/过热的故障。

为降低热冲击对介质层造成的损伤，焊接前需要在160±15℃处预热(60–120)s，同时要严格控制最高焊接温度和焊接时间，从而降低由于膨胀系数差异而带来的机械应力冲击。

6、Ta2O5介质氧化膜缺陷

钽芯通过高温烧结（1300℃～2000℃），使金属钽粉颗粒之间、金属钽丝与钽粉颗粒之间充分结合在一起，钽粉颗粒之间形成烧结颈，钽芯内部形成蜂窝状结构。烧结后的钽芯在无机酸和外加电场的作用下，在金属钽粉颗粒表面形成一