固體鉭電容器可靠性提高途徑和方法分析

前言;固體鉭電容器以其出現(xiàn)色的高低溫特性而成為使用者在工作條件惡劣時的,但其可靠性由于鉭電容器固有的缺陷而受到影響.特別是使用在高溫和高浪涌時,產(chǎn)品的可靠性受到突然失效的威脅非常大.因此,提高固體鉭電容器可靠性是我們非常重要的努力目標.

1.固體鉭電容器失效方式分析;高低溫冷熱沖擊試驗箱一個合格的固體鉭電容器在工作狀態(tài)如果發(fā)生失效,基本的失效模式如下;

     1.1.過壓失效;鉭電容器使用在電路中時,在正常的工作電壓以外,還要受到浪涌電壓和電流的沖擊.因此,工作時時實際加在產(chǎn)品上的電壓=浪涌電壓+工作電壓+交流紋波電壓.由于使用電路中的阻抗不一樣,因此,當電路阻抗較低時,實際的浪涌電壓在瞬間可以達到1.5-2.5倍的穩(wěn)態(tài)工作電壓.因此,使用在低阻抗電路中時,考慮到開關瞬間的浪涌沖擊電壓會遠超過產(chǎn)品容許承受的電壓沖擊,因此穩(wěn)態(tài)的工作電壓不能超過額定值的1/3.否則,產(chǎn)品就非常容易出現(xiàn)瞬間的過壓而擊穿.因此,在電路設計時必須為不斷產(chǎn)生的浪涌留出電壓余量.

          在具體使用時,由于電路產(chǎn)生的熱量積聚,產(chǎn)品工作時環(huán)境溫度有可能達到50度以上,因此實際使用電壓必須考慮到溫度升高會導致產(chǎn)品的漏電流增加的問題.因此實際使用電壓應該更低.在不同溫度下產(chǎn)品應該使用的工作電壓和失效率關系如下;

    由于鉭電容器漏電流隨溫度的增加而增加高低溫冷熱沖擊試驗箱。工作在 溫度較高時，zui大工作電壓Vmax必須降額，合適的降額幅度可以從下面的公式中求得：

式1;

                        Vmax=( 1-(T-85)/125)×VR

這里：  T 是要求的工作溫度

     值得注意的是上述公式只適用于高阻抗電路. 同時上述公式并沒有考慮交流分量和浪涌的影響,因此當使用溫度較高時,必須使用更大的降額電壓才電阻能穩(wěn)定可靠地工作

      如果只強調(diào)溫度和電壓，固體鉭電容器的現(xiàn)場故障率可以從下面的表達式中計算出來：

       式2;

        λ=λ0(V/V0)3×2(T-T0)/10

 這里：

   λ:    實際工作條件下的故障率。

         溫度： T ；

實際使用電壓： V

   λ0:   額定負載下的故障率。(1% /1000h)

         溫度： T0 ；

額定電壓： V0

測試條件：

     溫度： 85 ℃

     電壓： 額定電壓

     Rs: 3Ω[要求的線路保護電阻]

上式說明在實際使用中過高的溫度和使用電壓對產(chǎn)品的可靠性影響非常大。

不同的使用電壓和不同的工作溫度與產(chǎn)品的額定電壓會導致出現(xiàn)不同的壽命,其計算方法如下;

相同規(guī)格產(chǎn)品高溫時使用電壓不同時產(chǎn)生的漏電流不同，高低溫冷熱沖擊試驗箱其產(chǎn)品失效率MTBF[式中的F]的計算見下式3；

式3; Ｆ＝FUｘFTｘFRｘFB

 式中；

FU；工作電壓和額定電壓的修正系數(shù)=U1/UR    U1為實際工作電壓

FT；工作溫度的修正系數(shù) =T1/T2   T1實際工作溫度 ，T2為容許的zui大工作溫度[85度]

FR；電路總電阻

FB；基本的失效率。鉭電容器的基本失效率是1%/1000小時

F的單位； 小時

從上式中可看出，如果一個產(chǎn)品的工作溫度較低，使用的電壓也較低，那么它的失效率就非常低。從側(cè)面同時也證明如果一只鉭電容器的漏電流較小就相當于產(chǎn)品的降額幅度更大，相當與這只產(chǎn)品的實驗電壓低或使用溫度低。如果一只產(chǎn)品的高溫漏電流較小，其可靠性更高。

    1.2.浪涌失效;當鉭電容器使用到開關電源電路中時,由于電路電阻很低高低溫冷熱沖擊試驗箱,因此,電路中在開關的瞬間會產(chǎn)生1.5-2.5倍的瞬間浪涌電壓和浪涌電流.而不同規(guī)格產(chǎn)品的ESR值一定,因此不同規(guī)格產(chǎn)品能夠耐受的電流如下式4;

      式4;

     I=UR/（1+ESR）

式中；UR為產(chǎn)品的額定電壓

在產(chǎn)品的ESR一定時,如果浪涌電流過高,產(chǎn)品也會因迅速的發(fā)熱而導致?lián)舸┦?因此,使用在此電路中時,穩(wěn)態(tài)的工作電壓不能大于1/3額定電壓.同時還必須在電路設計時保證產(chǎn)生的直流浪涌值不大于產(chǎn)品容許的浪涌值.如果不遵守此基本原則,產(chǎn)品就會失效.

     1.3.反向擊穿;鉭電容器是典型的極性元件,由于其介質(zhì)層特殊的物理結構,它基本不能承受反向電壓.

   這里引用的反向電壓值是指在任何時候出現(xiàn)在電容器上的zui大反向電壓。這些極限建立在假定電容器在其工作期間的極大多數(shù)時間內(nèi)極性正確的基礎上。只是在短時間內(nèi)極性反，例如出現(xiàn)在開關的瞬間外加波形的較小的部分。 連續(xù)工作在反向電壓下會導致漏電流大幅度增加甚至擊穿.在有連續(xù)反向電壓出現(xiàn)的場合，可以兩個一樣的電容器背靠背陰極連接在一起組成一個無極性電容器. 在絕大多數(shù)情況下，這種組合是原來單個電容器容量的一半。在孤立脈沖或zui初幾個周期情況下，電容量可能接近正常值。設計的容許承受的額定反向電壓要考慮到異常的情況高低溫冷熱沖擊試驗箱，例如電壓波形發(fā)生偏移變成不正確的電壓方向。

正常情況下,可以瞬間加到電容器上的反向電壓峰值不應該超過：

在25℃時，額定直流工作電壓的10% ，zui大為1V 。

在85℃時，額定直流工作電壓的3% ，zui大為0.5V 。

在125℃時，額定直流工作電壓的1% ，zui大為0.1V 。

          因此,如果電路中的反向電壓較大,會導致快速的DCL增加而失效. 值得提醒的是,當產(chǎn)品使用到開關電源濾波電路中時,開關的瞬間除了較高的直流浪涌電壓,電路中的交流波幅會瞬間達到穩(wěn)態(tài)的直流工作電壓的1/2--2/3.這非常危險.在通電的瞬間，兩極板表面極性相反的電荷分布在極化完成后才能使定向電流呈阻隔性，才能開始儲能并正常工作。在開始極化的前期[500毫秒以內(nèi)]，電容器實際上呈通路狀態(tài)，隨電荷極化完成后的均勻分布，產(chǎn)品的阻直通交特性才開始呈現(xiàn)。由于產(chǎn)品本身固有的電阻值較大，一般在0.02-5歐姆范圍，因此當遇到極短時間的大電流[浪涌電流呈此特點]沖擊時，固有的電阻會迅速發(fā)熱，這些熱量會阻止極板間電荷的極化速度，并使極化的完成效率大為下降。當電流過大時，會導化失敗，從而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。影響極化速度的另一個原因是產(chǎn)品本身的串連電阻，當?shù)刃Т?lián)電阻較大時，瞬間產(chǎn)生的熱量也較多，因此產(chǎn)品更容易出現(xiàn)擊穿。這個在極短時間產(chǎn)生的很大的浪涌電場[幾十微秒]下,交流成分產(chǎn)生的熱量并不隨極板兩邊電荷的極化速度而改變，它產(chǎn)生的能量密度由于浪涌產(chǎn)生的時間非常短而非常大[能量密度與浪涌產(chǎn)生時間成反比]高低溫冷熱沖擊試驗箱，如此在極短時間內(nèi)集中的能量由電阻轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生的熱量對產(chǎn)品內(nèi)部的熱沖擊也是毀滅性的，因此根據(jù)產(chǎn)品本身的阻抗值的大小必須限定產(chǎn)品在使用時的浪涌電流極限和使用電壓極限及交流分量的幅值高低。否則產(chǎn)品不光可靠性無從談起，正常的工作都不能保證。失效就會成為必然.

2.解決失效的方法;

   2.1. 提高產(chǎn)品介質(zhì)層厚度和質(zhì)量;鉭電容器的介質(zhì)層具有很高的介電強度, 其介電強度ε如下;

       當直流電壓提高1V,產(chǎn)品的介質(zhì)層厚度可以增加16埃[每埃為百萬分之一毫米]. 因此,提高產(chǎn)品可靠性的zui有效方法就是通過增加鉭粉用量或比容,使產(chǎn)品的介質(zhì)層更厚,使其能夠耐受的電壓更高.在體積容許的情況下,盡可能使設計的產(chǎn)品的形成電壓更高.

      另外,,不同的原材料質(zhì)量和生產(chǎn)工藝及過程控制水平也可以使產(chǎn)品的介質(zhì)層在厚度一定時具有更好的質(zhì)量.它對產(chǎn)品的可靠性影響一樣較明顯.

  2.2. 降低產(chǎn)品的ESR值;  鉭電容器在工作狀態(tài),其ESR與產(chǎn)品可耐受的浪涌電流成反比高低溫冷熱沖擊試驗箱,ESR越低的產(chǎn)品,能夠耐受的浪涌電流越大,因此想法降低產(chǎn)品的ESR值,也是提高產(chǎn)品可靠性的有效途徑. 具體計算見式4.

      另外,ESR較低的產(chǎn)品在工作頻率較高時產(chǎn)品的阻抗更小,而且容量變化也更小,因此對可靠性也可以造成有利影響.

   2.3.改變產(chǎn)品電連接結構; 我們現(xiàn)在生產(chǎn)的鉭電容器基本上都是單芯子結構;如下圖示;

            如果我們把陽極芯子做成多個更小的再組裝后,根據(jù)并聯(lián)電路里總阻抗值與分阻抗值之間的分數(shù)關系，把產(chǎn)品的陽極分成幾部分，這樣產(chǎn)品的總阻抗值將成倍下降。這樣產(chǎn)品的耐浪涌能力將成倍提高,可靠性也成倍提高.這是不采用新陰極材料就可以擴大產(chǎn)品使用頻率范圍的一個成功方法。如下圖示;

     采用多芯子結構的產(chǎn)品由于其極低的ESR值和優(yōu)良的耐浪涌能力,被行業(yè)電路專家建議為直流開關電源濾波電路的推薦產(chǎn)品.其可靠性只需要增加成型磨具就可以成倍提高.因此我們可以在不增加生產(chǎn)成本太多的條件下就可以做到此點.

   2.5. 采用先進的生產(chǎn)工藝; 科學無止境,高低溫冷熱沖擊試驗箱在通過改進生產(chǎn)工藝,使生產(chǎn)出的產(chǎn)品的參數(shù)性能更優(yōu)良,一樣可以提高產(chǎn)品的可靠性.

     例如,在關鍵的介質(zhì)層形成時,如果我們可以使用兩步發(fā)形成,先在產(chǎn)品的表面生成厚度較高的介質(zhì)膜,然后再形成內(nèi)部對容量有決定作用的介質(zhì)膜,由于鉭電容器的內(nèi)部結構是一個海綿狀的網(wǎng)絡結構,由于其存在眾多微觀上的突出部位,因此其表面在形成時,部位的介質(zhì)膜由于電場強度分布的趨膚效應而實際分布到的電場強度大的多,因此,此處形成的介質(zhì)膜的晶體物理結構容易出現(xiàn)問題,非常容易形成可通過較大電流的導電通道.而且非常容易出現(xiàn)晶化現(xiàn)象.如果使用在低阻抗電路里,出現(xiàn)浪涌時,加在產(chǎn)品上的實際電壓大于產(chǎn)品能夠耐受的額定電壓,而由于趨膚效應,加在產(chǎn)品外層的電壓場強比產(chǎn)品內(nèi)部介質(zhì)膜上的場強更高,相當于加在產(chǎn)品邊緣處的場強被放大,因此在產(chǎn)品邊緣非常容易出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象.zui危險的是這種放大速度極快,導致產(chǎn)品介質(zhì)膜上瞬間承受的場強遠超過容許值.因此,增加外表層介質(zhì)層厚度在粉量受到嚴格限制時,是一個提高產(chǎn)品可靠性的非常有效的途徑.

   2.5.合理的電路設計; 鉭電容器的失效基本上都發(fā)生在低阻抗電路中.失效原因前面已經(jīng)分析過.防止失效的方法除了對使用電壓和溫度及頻率進行嚴格限制外,如果在電源開關前加一個延時電路[也叫軟起動電路],它就可以明顯抑制開關瞬間猛烈的浪涌電壓和電流,因此它對提高產(chǎn)品使用的可靠性也非常有效.推薦增加的延時電路如下;

以上方法已經(jīng)在眾多的開關電源電路用戶處經(jīng)過驗正,可明顯提高整機使用壽命,增加產(chǎn)品的可靠性.

3.綜述; 上文中已經(jīng)把能夠造成鉭電容器失效的基本原因講清楚,簡單講,提高鉭電容器可靠性在現(xiàn)有條件下基本可使用的方法如上所述. 基本上都是可行性較好的途徑.相信在經(jīng)過一段時間后,我們的產(chǎn)品可靠性可以在大家的共同努力下獲得明顯提高.達到較先進的水平.為我們的產(chǎn)品進入要求更高的用戶創(chuàng)造條件.