钽电解电容具有较好的电性能,且在同等性能的情况下,其封装体积较小,易于小型化和批量生产,能够满足目前电子产品的自动化发展,因此得以替代传统的电解电容,得到普遍的应用。钽电容有一定的自愈性,这也是其不同于其它电解电容的特点,当出现一些缺陷形成击穿时,钽电容二氧化锰层会产生变化,在高温下形成新的氧化物,阻碍问题的恶化。
1.钽电容的内部结构和主要加工工艺
钽电容是通过将钽粉压制而成,经高温烧结成型,芯片的阳极经过氧化处理表面生产一层五氧化二钽氧化膜,再覆盖一
层二氧化锰电解质,然后在二氧化锰和金属层中间涂上一层石墨作为过渡,最后用树脂把其封装成为钽电容。下图是其内部结构示意图:
1.1阳极设计
目前,市场上大量使用的贴片钽电容,其阳极一般使用钽粉经一定压力成型,然后通过真空高温固化,因此钽粉的质量决定了钽电容的质量,没有好的原材料无法做出高质量的元器件,后续再精密的加工也无法弥补材料上的缺陷,所以钽粉直接决定钽电容的可靠性。一般影响钽粉质量的关键因素有颗粒的大小和形状,钽粉的配比以及钽粉的纯度和密度。
1.2烧结
在钽粉烧结成型前需加入适量的粘合剂,这样保证钽粉颗粒间不直接接触,有效的降低了钽粉颗粒直接的相互摩擦和损伤,这样烧结出的钽芯质量更高。在烧结后,粘合剂受高温影响全部挥发,这样原来粘合剂的位置变成了空洞,有效的提高了钽芯的气孔率。较好的烧结工艺对钽电容的损耗和电容量的提高都有明显的改善。
1.3形成氧化膜
钽芯表面的五氧化二钽是通过电化学的方法形成的,在电解液中,设置合适的电压和电流,使钽芯表面逐渐生成一层致密的氧化膜,该氧化膜后面电极的制备至关重要,如果一旦存在空隙,长期工作下存在可靠性隐患,沉积速率的控制显得至关重要。
1.4 阴极
在五氧化二钽表面上制备MnO2层作为电解质,需要对Mn(NO3)2进行热分解,其中包括水汽(湿式)或空气(干式)两种方式,湿式分解得到的MnO2在致密度、多孔性等多方面都比干式要优越,基本上目前的厂家工艺均用湿式热分解法。
2.失效分析
失效钽电容外观如下图所示。
将失效钽电容去除树脂包封层,将外层二氧化锰电解质用化学试剂清洗干净, 得到如下图所示击穿点形貌。
目前常见的钽电容有三种失效模式:电压型、电流型和发热型。
电压型失效是指使用过程中存在不合理工作电压或浪涌电压过高,引起局部打火,导致介质层击穿;另外五氧化二钽层不可能没有任何缺陷,如果介质层长期工作在高电压条件下, 当氧化层的缺陷受高压作用产生较高的电场强度,并在局部形成高温,则极易产生晶化的现象。当然也不排除氧化层界面上本身存在杂质,这样不需要外部条件就能够诱发晶化,随着温度的逐渐升高,晶核也不断在生长,最终导致氧化膜破裂形成失效。有实验数据显示,晶体生长并最终导致氧化膜破裂的时间与电场强度呈指数函数分布,即随着电压的增加和环境温度的升高,晶体逐渐的生长,生长前期可能对电容器本身特性没有任何影响,一旦晶体穿破氧化膜,钽电容将彻底失效,所以该失效在前期不易被发现,可能失效比率较低,可随着时间的延长,失效率会飞速增加并爆发,后果不堪设想。
电流型失效主要是钽电容出现异常的漏电流。
发热型失效一般是由于产品的损耗太大导致热失衡,热量分布不均匀,局部热量较大,长期累积无法散开,导致热破坏。