影響非固體電解質(zhì)鉭電容器漏電流變大的因素

王冰+王孝勃

摘 要：就非固體電解質(zhì)鉭電容器漏電流超標(biāo)成因進(jìn)行分析，分別從電容器制造、使用角度分析了影響漏電流的各種因素。

關(guān)鍵詞：非固體電解質(zhì)鉭電容器;漏電流;氧化膜;電容失效

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2014）12-00-02

0 ?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 μA，實(shí)際測(cè)量達(dá)到28 μA，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，以供遇到類似問題的技術(shù)人員參考。

1 ?非固體鉭電解質(zhì)電容器的制造工藝過程

非固體鉭電解質(zhì)電容器的主要的生產(chǎn)工藝過程包括成型、燒結(jié)、形成、裝配、老化五個(gè)過程。電容器按陽極設(shè)計(jì)要求，將鉭粉壓制成型，并插入鉭絲作為陽極引出的過程為成型。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程為燒結(jié)，燒結(jié)后如圖1所示。

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

圖1 ?鉭電容燒結(jié)后 ? ? ? ?圖2 ?鉭電容形成后

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程稱為裝配。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程為老化過程。

由電容器的制造工藝不難看出，電容器是由陽極（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氧化膜系無定形結(jié)構(gòu)，它的離子呈不規(guī)則無序排列。理想中的電容器介質(zhì)應(yīng)是完美無缺的薄膜，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Ta2O5表面存在各種微小的疵點(diǎn)、空洞以及隙縫之類的缺陷，漏電流就是通過這些缺陷的雜質(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)周圍的氧化膜“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——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。鉭電容器的陽極芯子在成型時(shí)要經(jīng)過1 500～2 050 ℃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、鉬、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，是將鉭陽極放在電解液中，施加直流電壓，電解液中的氧離子和鉭陽極中的鉭形成Ta2O5膜層。在這一工藝中，形成溫度過高、形成時(shí)間過長(zhǎng)、升壓電流密度過大、形成電壓過高都會(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。而陽極表面沉積的銀將構(gòu)成導(dǎo)電通道，從而增加漏電流，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 ?Ω/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 Ω/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 ?Ω/V降到≤ 0.1 ?Ω/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 ?Ω/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以內(nèi)，并注意烙鐵尖不要碰到電容器本體。焊接溫度過高或焊接時(shí)間過長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致電容器受熱沖擊，超過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

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、使用過程給出了控制的因素，希望能為遇到此類問題的技術(shù)人員分析解決問題提供幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]陳永真.電容器及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]陳燕，董世娜，趙宏杰.影響電解電容器漏電流的因素[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2007（6）：64-66..

[3]王訓(xùn)國(guó)，彭莉莉，譚健.CA30型非固體鉭電解電容器的可靠性[J].電子元件與材料，2000， 19（4）： 3-4.

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。而陽極表面沉積的銀將構(gòu)成導(dǎo)電通道，從而增加漏電流，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 ?Ω/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 Ω/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 ?Ω/V降到≤ 0.1 ?Ω/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 ?Ω/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以內(nèi)，并注意烙鐵尖不要碰到電容器本體。焊接溫度過高或焊接時(shí)間過長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致電容器受熱沖擊，超過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

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、使用過程給出了控制的因素，希望能為遇到此類問題的技術(shù)人員分析解決問題提供幫助。

參考文獻(xiàn)

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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。而陽極表面沉積的銀將構(gòu)成導(dǎo)電通道，從而增加漏電流，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 ?Ω/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 Ω/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 ?Ω/V降到≤ 0.1 ?Ω/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 ?Ω/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以內(nèi)，并注意烙鐵尖不要碰到電容器本體。焊接溫度過高或焊接時(shí)間過長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致電容器受熱沖擊，超過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

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、使用過程給出了控制的因素，希望能為遇到此類問題的技術(shù)人員分析解決問題提供幫助。

參考文獻(xiàn)

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