片式鉭電容器的耐焊接熱性能與可靠性

封雪 焦瑞祥 張弛

摘? ?要：為適應(yīng)電子元器件裝配自動(dòng)化、電子產(chǎn)品小型化的發(fā)展趨勢(shì)，貼片式高密度元件逐漸成為電子行業(yè)的首選，作為高密度元件標(biāo)志之一的片式鉭電容以其壽命長(zhǎng)、耐高溫、高頻大容量且準(zhǔn)確度高的優(yōu)越性能以及輕型化、小型化、片式化的形狀特點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文通過對(duì)片式鉭電容器經(jīng)過焊接上機(jī)后，開關(guān)機(jī)時(shí)出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，根據(jù)片式鉭電容器的生產(chǎn)制造、使用的原理進(jìn)行分析，找出造成失效的原因，并根據(jù)原因，提出在生產(chǎn)制造、線路使用中如何避免失效的解決措施，從而提高電子產(chǎn)品的可靠性。

關(guān)鍵詞：片式鉭電容器? 浪涌失效? 介質(zhì)膜? 耐焊接熱性能

中圖分類號(hào)：TM53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（b）-0101-02

在實(shí)際工作中，我們經(jīng)常遇到這樣一個(gè)問題，就是本來性能合格的產(chǎn)品，在經(jīng)過250°/10s左右再流焊后，會(huì)出現(xiàn)個(gè)別產(chǎn)品的漏電流大ESR變大，導(dǎo)致用戶在實(shí)際使用過程中造成整機(jī)不通電或?yàn)V波波形發(fā)生變化。

在出現(xiàn)這類問題后，經(jīng)?？梢钥匆娪脩艉凸?yīng)商之間為此產(chǎn)生爭(zhēng)議。實(shí)際上， 上述問題反映的是一個(gè)復(fù)雜而棘手的問題。此類失效一般發(fā)生在產(chǎn)品焊接后，在沒有進(jìn)行測(cè)試前，鉭電容器的性能就已經(jīng)出現(xiàn)問題。因?yàn)榇祟愂c浪涌失效沒有任何關(guān)系，它們是不同類型的失效，而且失效原因也有根本不同。

1? 片式鉭電容器焊接后失效原因分析

實(shí)際上該問題反映的是片式鉭電容器的耐焊接熱性能問題。片式鉭電容器在經(jīng)過一定時(shí)間和較高的焊接溫度沖擊后，產(chǎn)品的性能突然劣化。根據(jù)片式鉭電容器制造生產(chǎn)過程并結(jié)合實(shí)際使用過程，我們認(rèn)為造成片式鉭電容器耐焊接熱性能不好的原因如下。

1.1 鉭電容器陽極鉭塊強(qiáng)度較低

眾所周知，片式鉭電容器的漏電流隨溫度變化而變化過大[1]。為彌補(bǔ)此類問題，往往我們?cè)谏a(chǎn)過程中依靠通過提高陽極塊的強(qiáng)度來解決，即增加壓制密度。但較大的壓制密度又會(huì)存在鉭陽極塊表面孔被破壞，空孔率下降，硝酸錳溶液的浸透性變差，造成產(chǎn)品tgδ、ESR值大。因而，為了追求鉭陽極塊具有更好的孔隙度而犧牲強(qiáng)度，這實(shí)際上是人為降低了鉭陽極塊的機(jī)械強(qiáng)度，使鉭粉粒子之間與鉭絲之間的接觸疏松，耐機(jī)械應(yīng)力的效果差，造成介質(zhì)氧化膜容易在后工序的加工因溫度、機(jī)械等應(yīng)力的施加而損傷，為片式鉭電容器在經(jīng)再流焊的熱應(yīng)力影響下失效埋下了隱患。實(shí)際上，鉭陽極塊有高的強(qiáng)度（即較大的壓制密度）并不就意味著該產(chǎn)品在后續(xù)加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)tgδ值會(huì)過高。如果我們?cè)谏a(chǎn)時(shí)適當(dāng)改進(jìn)MnO2層的制造工藝，在MnO2層中進(jìn)行摻雜，使MnO2層均勻、致密、電阻率小且具有較高的強(qiáng)度[2]，這樣生產(chǎn)出的鉭陽極塊強(qiáng)度才能保證產(chǎn)品具有足夠的強(qiáng)度，更低的tgδ值和更低的ESR值。

1.2 鉭芯子物理結(jié)構(gòu)存在缺陷

在實(shí)際生產(chǎn)中，我們對(duì)陽極制造在鉭電容器生產(chǎn)技術(shù)中的重要性認(rèn)識(shí)根本不夠，對(duì)鉭芯子物理結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)產(chǎn)品漏電流的影響認(rèn)識(shí)模糊，缺乏基本的研究。在鉭陽極塊壓制完成后，方方面面的原因，使我們生產(chǎn)出的鉭陽極塊存在缺料、裂紋、浮粉及毛邊等有突出的鉭粉粒子組成的尖端部位，這樣的產(chǎn)品在經(jīng)過模壓封裝時(shí)，受機(jī)械應(yīng)力的作用，該部分尖端部位的介質(zhì)氧化膜遭到損傷，在經(jīng)過高溫焊接時(shí)模壓塑封料的熱脹冷縮效應(yīng)的猛烈熱沖擊， 突出部位的介質(zhì)層非常容易受到變形過大的熱應(yīng)力破壞而漏電流突然變大[3]。此類問題在中高壓產(chǎn)品上占的比例較高。

1.3 氧含量對(duì)片式鉭電容器漏電流的影響

氧的存在導(dǎo)致鉭陽極塊氧化膜形成不均勻。在無雜質(zhì)存在情況下，賦能后形成的鉭氧化膜是非常均勻一致的無定型Ta2O5膜。氧若存在于鉭金屬的表面，在高溫焊接后和外加電壓的條件下，基體表面狀態(tài)和形成液均適合于晶核的生長(zhǎng)，晶核不斷長(zhǎng)大，開始擠裂其上面及周圍的無定型膜，這樣造成了無定型膜的破壞。此時(shí)的氧已成為鉭陽極氧化膜中的“晶化點(diǎn)”，即在氧膜局部產(chǎn)生了無定型Ta2O5結(jié)構(gòu)向β-Ta2O5晶型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，而氧含量越高，結(jié)晶型膜也就越多。

由于無定型膜與結(jié)晶型膜之間存在著微細(xì)的縫隙，電子電流可以通過膜上的這些縫隙，而氧含量越高，結(jié)晶型膜的區(qū)域就越大，對(duì)與無定型膜接界的周圍縫隙的影響也越大，導(dǎo)致鉭電容器漏電流增大。

1.4 環(huán)氧樹脂塑封體受熱膨脹造成的失效

片式鉭電容器的結(jié)構(gòu)是將浸漬好石墨、銀漿的鉭芯子包覆在環(huán)氧樹脂塑封體內(nèi)，由于尺寸較小，環(huán)氧樹脂層無法更厚，導(dǎo)致高溫焊接時(shí)，快速的熱沖擊能量馬上就傳導(dǎo)到鉭電容器機(jī)體上，使鉭電容器的溫度升高速度過快，導(dǎo)致漏電流大。另外，由于材料熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力、損傷介質(zhì)氧化膜，也會(huì)導(dǎo)致在高溫焊接后出現(xiàn)漏電流失效。由于片式鉭電容器由鉭芯子、氧化膜（Ta2O5）、二氧化錳（陰極）、石墨、銀漿、引線框架、模壓料等構(gòu)成，這些材料中有金屬、半導(dǎo)體以及絕緣材料，其熱膨脹系數(shù)各不相同，在溫度變化（如焊接和溫度沖擊）的作用下，熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的收縮效應(yīng)會(huì)使氧化膜破損，缺陷部位在機(jī)械應(yīng)力的作用下進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致其絕緣強(qiáng)度降低，最終在電場(chǎng)的作用下?lián)舸?/p>

圖1中VBD為擊穿電壓，Vr為額定電壓。從圖中可看到，焊接前氧化膜缺陷處裂痕較淺，耐壓能力強(qiáng)，焊接后缺陷區(qū)域裂痕加深，耐壓能力顯著降低，有些產(chǎn)品甚至焊接后就已經(jīng)短路。焊接溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，這種破壞作用就越大。

1.5 產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中積聚的應(yīng)力沒有通過合適的工藝方法去除

鉭電容器的生產(chǎn)過程中，鉭芯子塊要經(jīng)過1300～2000°左右的高溫?zé)Y(jié)，在如此高的溫度下生產(chǎn)的由金屬粉末組成的鉭電容器，它們的機(jī)體必然產(chǎn)生由于鉭原子晶格由于溫度劇烈變化而扭曲的現(xiàn)象。此應(yīng)力如果不能夠在生產(chǎn)過程中去除，它必然會(huì)在某個(gè)溫度劇烈變化時(shí)釋放出來，此時(shí)馬上可以導(dǎo)致介質(zhì)膜產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致漏電流出現(xiàn)問題[4]。

1.6 焊接條件不合適

焊接方法不同或焊接工藝的制定不一定合適于片式鉭電容器，在焊接過程中使片式鉭電容器經(jīng)受了超過規(guī)定的長(zhǎng)時(shí)間熱沖擊，因此因素導(dǎo)致的產(chǎn)品失效也非常多。特別是采用手工焊接時(shí)，焊接溫度若偏低，則不易進(jìn)行手工焊接，且焊接不牢固或焊接效果差，可能產(chǎn)生虛焊;當(dāng)焊接溫度偏高，熱傳導(dǎo)較快，則焊接操作控制掌握難度大，重要的是焊接時(shí)間若控制偏長(zhǎng)，熱傳導(dǎo)到產(chǎn)品本體內(nèi)部將使電容器陽極鉭芯經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的熱沖擊，進(jìn)而可能損傷氧化膜，產(chǎn)生質(zhì)量隱患。

2? 解決片式鉭電容器焊接后失效的方案

2.1 產(chǎn)品在出廠前加強(qiáng)成品測(cè)試條件

將產(chǎn)品的漏電流控制在K≤0.002CR*UR，這樣生產(chǎn)出的產(chǎn)品在耐焊接熱后失效的幾率會(huì)大大降低。

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)品可耐受的漏電流成反比，ESR越低的產(chǎn)品，能夠耐受的沖擊電流越大，因此盡量降低產(chǎn)品的ESR值，也是提高產(chǎn)品可靠性的有效途徑。

2.3 提供合適的焊接溫度條件

制定適合片式鉭電容的焊接工藝，特別是手工焊接時(shí)，在適合鉭電容焊接的最佳溫度范圍內(nèi)進(jìn)行焊接，避免焊接溫度過高或過低，杜絕焊接熱應(yīng)力積累、熱沖擊導(dǎo)致的氧化膜損傷，消除焊接質(zhì)量隱患。

3? 結(jié)語

本文重點(diǎn)分析了鉭電容器經(jīng)過高溫焊接后失效的基本原因，并從生產(chǎn)測(cè)試及焊接工藝角度提供了避免焊接后失效的解決方案，經(jīng)工程實(shí)踐證明，在現(xiàn)有條件下，上述解決方案具備一定可行性與可操作性，是提高鉭電容器可靠性的良好手段。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳國光.電解電容器[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1986.

[2] 歐陽一鳳.鉭、鈮電解電容器工藝研究進(jìn)展[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2003，31（4）：32.

[3] 歐陽一鳳.鉭、鈮電解電容器工藝研究進(jìn)展（續(xù)）[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2003，32（1）：52.

[4] 郭書霞.固體鉭電容器對(duì)產(chǎn)品性能的影響及其形成[J].焦作教育學(xué)報(bào)，1995（1）：55.