宇航級片式鉭電容器可靠性保證技術(shù)研究

王麗麗 曹磊

摘要：隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，針對宇航工程任務的高可靠性、長壽命、特殊環(huán)境、不可維修性等特點，軍用電子元器件向著了小型化、高性能、高可靠性、高環(huán)境適應性的趨勢發(fā)展。本文針對宇航級片式鉭電容器失效率等級達到威布爾（weibull）分布C等級、1.5倍額定電壓500小時的加速應力壽命試驗等高可靠性技術(shù)要求，對片式鉭電容器介質(zhì)層形成工藝進行了技術(shù)攻關(guān)。進一步探討介質(zhì)層形成層機理，運用EVANS公司創(chuàng)建的產(chǎn)品壽命評估模型，通過對介質(zhì)層形成液、形成電流密度、形成電壓、形成溫度等形成因素進行正交組合試驗設(shè)計，將片式鉭電容器在85℃、1.5倍額定電壓下直流漏電流水平降為攻關(guān)前的50%，將85℃、1.5倍額定電壓下產(chǎn)品壽命延長一倍，極大地改善了鉭電容器的介質(zhì)層質(zhì)量，提升了產(chǎn)品的固有可靠性。

關(guān)鍵詞：宇航級片式鉭電容;介質(zhì)層形成;技術(shù)攻關(guān)

中圖分類號：TM535.1?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）08-0062-02

緒論：隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，載人航天工程取得了巨大的進步。針對宇航工程任務的高可靠性、長壽命、特殊環(huán)境、不可維修性等特點，載人航天工程軍用電子元器件向著了小型化、高性能、高可靠性、高環(huán)境適應性的方向發(fā)展。對于片式鉭電容器某所提出了極高的可靠性指標要求，即：產(chǎn)品滿足GJB2283中失效率等級威布爾（weibull）分布C等級、產(chǎn)品通過1.5倍額定電壓500小時的加速應力壽命試驗等。

1?產(chǎn)品壽命可靠性評估

1.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及電性能參數(shù)簡介。

（1）產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)。片式鉭電容器主體結(jié)構(gòu)由燒結(jié)鉭陽極芯子及其表面的Ta2O5氧化膜、二氧化錳陰極層三部分構(gòu)成。

a）陽極鉭芯子是通過陽極設(shè)計使一定比容的電容器級鉭粉在外界壓力作用下形成具有一定機械強度、粉量、壓制密度和規(guī)則幾何形狀、尺寸的陽極芯體，在高溫高真空條件下，通過鍵合作用形成具有一定機械強度的陽極塊。

b）Ta2O5氧化膜形成主要是應用電化學原理，在一定的化學溶液中，在電場的作用下，使陽極芯體多孔體表面生產(chǎn)一層無定形結(jié)構(gòu)的Ta2O5作為片式電容器介質(zhì)層。

c）二氧化錳陰極主要是通過多次浸漬硝酸錳溶液，通過高溫分解硝酸錳溶液，在介質(zhì)層表面形成β型二氧化錳陰極層。

（2）產(chǎn)品電性能參數(shù)。片式鉭電容器的產(chǎn)品性能參數(shù)主要有電容量、直流漏電流、損耗角正切、等效串聯(lián)電阻等。

a）損耗角正切：所消耗的有功功率與無功功率的比值。

b）直流漏電流：該參數(shù)電容器絕緣高低質(zhì)量關(guān)鍵表征，與產(chǎn)品電容量大小、施加電壓、測試溫度密切相關(guān)，數(shù)值越低越好。

c）等效串聯(lián)電阻：電容器物理結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電阻。

1.2可靠性技術(shù)指標要求。

（1）產(chǎn)品失效率等級鑒定。目前，“國軍標”片式鉭電容器以“指數(shù)分布”為基礎(chǔ)，按維持周期抽樣進行失效率等級鑒定和維持，以35V47μF產(chǎn)品為例，失效率等級初始鑒定為“M級”（1%/1000h），試驗條件為：置信度等級60%、85℃、35V、2000h后，累計元件小時數(shù)20 4000小時;“宇航級”片式鉭電容器以“威布爾分布”為基礎(chǔ)，采用逐批100%質(zhì)量一致性加速壽命試驗的方式要求失效率等級達到“C級”（0.01%/1000h），試驗條件為：置信度等級90%、85℃、52.5V、500h后，累計元件小時數(shù)5961 6313小時，在該水平下產(chǎn)品失效率等級定級的元件小時數(shù)為“指數(shù)分布”的292倍。

（2）產(chǎn)品可靠性分析。將現(xiàn)有35V47μF按照威布爾分布定級試驗條件進行試驗，產(chǎn)品漏電流不斷增大，24h后出現(xiàn)產(chǎn)品擊穿失效，300h后產(chǎn)品全部擊穿失效。

（3）失效原因分析。分別取擊穿失效和漏電流超差產(chǎn)品進行失效分析，可以明顯觀察產(chǎn)品表面存在晶化點，圖1為漏電流超差產(chǎn)品中介質(zhì)層狀態(tài)。

經(jīng)分析：產(chǎn)品失效主要由于長期施加過電壓應力，致使介質(zhì)層遭到破壞，漏電流增大而失效。從介質(zhì)層角度分析，雖然是Ta2O5介質(zhì)層耐電場強度很高的絕緣物，但它不是一層完美無缺的超薄型薄膜，表面上或多或少地存在著各種極微小的疵點、空洞、以及縫隙之類的缺陷。產(chǎn)品的漏電流是由通過這些缺陷的雜質(zhì)離子電流和電子電流組成。產(chǎn)品在長期承受高的工作電壓時，疵點部位的電應力集中，電流密度大，導致局部高溫點出現(xiàn)，促使疵點周圍的局部氧化膜先閃火，生成結(jié)晶性氧化膜頂破無定型膜，誘發(fā)熱致晶化，導致產(chǎn)品失效。

（4）產(chǎn)品壽命評估模型。EVANS公司David Evans先生通過大量試驗創(chuàng)建了產(chǎn)品壽命評估模型，即產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下的壽命與產(chǎn)品瑕疵點上通過的電荷量總量成正比，通過的電荷總量以產(chǎn)品的長期穩(wěn)態(tài)的直流漏電流與時間的乘積計算。

Q=I*T

其中：Q——通過的總電荷量，單位：庫倫;

I——穩(wěn)態(tài)直流漏電流值，單位：A;

T——充電的時間，單位：s;

基于壽命評估模型，我們可以反向推算片式鉭電容器在85℃、1.5倍額定電壓、500h壽命產(chǎn)品需達到的穩(wěn)態(tài)直流漏電流的值。

35V47μF已通過了85℃、35V、10000h壽命試驗考核，穩(wěn)態(tài)直流漏電流均值為1.8μA，按公式計算，產(chǎn)品通過的電荷量Q=10000*60*60*1.8*10-6=64.8庫倫，相應的產(chǎn)品在85℃、52.5V、500h高加速壽命極限評估考核中，產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)直流漏電流最大應為：64.8/（500*60*60*10-6）=36μA，即產(chǎn)品在高加速壽命試驗中穩(wěn)態(tài)直流漏電流≤36μA可通過威布爾C級失效率定級。

2?介質(zhì)層形成技術(shù)研究

2.1介質(zhì)層形成機理。介質(zhì)層是在鉭金屬表面上由鉭離子與氧離子化合成無定形態(tài)的Ta2O5，即2Ta+5+5O-2= Ta2O5。無定形介質(zhì)膜的性能優(yōu)良，厚度僅為晶形膜厚度的1/2、閃火電壓高、絕緣性能強、漏電流小，工作時承受的場強可達到（2～3）×106V/cm。

介質(zhì)膜形成過程中，高溫、高能輻射、強電場等因素會造成場致晶化（無定形向晶形轉(zhuǎn)變），在無定形介質(zhì)膜上出現(xiàn)晶化膜。介質(zhì)膜形成時承受的場強可以達到（5～6）×106V/cm，介質(zhì)膜厚度增加速度與電場強度成正比，電場強度高的部位的介質(zhì)膜厚度增加較快。但是，在介質(zhì)膜快速增厚的過程中，局部區(qū)域會出現(xiàn)晶化，并有可能逐步擴大，影響介質(zhì)膜質(zhì)量。

晶化先從晶核開始，晶核多出現(xiàn)在金屬與氧化膜的界面上，晶核出現(xiàn)的部位：鉭金屬原有的晶格缺陷、形成介質(zhì)膜時金屬離子的消耗所造成的缺陷、雜質(zhì)造成的缺陷、顆粒尖端部位、邊緣部位等，這些缺陷離子自由能較高，容易形成晶核。當外界存在過應力時，晶核不斷長大，擠裂周圍無定形膜，使無定形膜極度撕裂，由于晶化膜容易傳導離子電流，將導致漏電流劇增。因此，介質(zhì)膜形成過程中抑制晶化和減少瑕疵點顯得尤為重要。

介質(zhì)膜Ta2O5形成的抑制晶化主要因素有：形成液、形成電壓、形成溫度、形成電流密度。

a）形成液。形成液的選擇主要考慮閃火電壓的大小和抑制晶化能力的強弱。形成液離子濃度愈小，閃火電壓愈高，晶化潛伏期愈長。陰離子半徑越大（NO3-：1.89埃;SO4-2：2.30埃;PO4-3：2.38埃），在電場下受到變形越小，距氧化膜距離大，界面上電子交換的活化能大，閃火電壓越高。

目前行業(yè)內(nèi)普遍選擇電解質(zhì)濃度低的0.01%～0.1%的HNO3、H3PO4。

b）形成電壓。片式鉭電容器的形成電壓為產(chǎn)品額定電壓的3～5倍，形成電壓高有利于減小產(chǎn)品的漏電流及其分散性，但是過高的形成電壓，將縮短晶化潛伏期，導致電流上升查，誘發(fā)場致晶化發(fā)生。

c）形成溫度。形成溫度較高時，得到的氧化膜致密性較好。但高溫形成時，由于雜質(zhì)缺陷處電流集中，容易發(fā)生閃火引起來局部高溫，誘發(fā)熱致晶化發(fā)生。同時宜采用自動控制系統(tǒng)的形成液裝置，保持形成液的成份和溫度。

d）形成電流密度。氧化膜的生產(chǎn)速度，取決于形成電流密度。電流密度過小，不利于提高生產(chǎn)效率;電流密度過大，將導致多孔體系的陽極芯體微孔中的電場分布不均勻，氧化反應產(chǎn)生的熱量過大，芯體表面和中心產(chǎn)生較大的溫差，誘發(fā)晶化發(fā)生。

當產(chǎn)品介質(zhì)層出現(xiàn)晶化就表明了產(chǎn)品電性能下降，質(zhì)量已不能保證。因此，漏電流是片式鉭電容器質(zhì)量的一個重要標志。

2.2產(chǎn)品試驗設(shè)計。根據(jù)介質(zhì)層形成的機理的分析結(jié)論，我們從形成液、形成電壓、形成溫度、形成電流密度等4個因素著手，每個因素進行3個水平的試驗，選取正交表L9（3）進行4因素3水平的9組試驗。

3?試驗結(jié)果分析

3.1試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。將9組試驗產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行合格率統(tǒng)計，在不同溫度、電壓下的測試產(chǎn)品漏電流，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)試驗合格率、25℃及85℃漏電流均值統(tǒng)計結(jié)果，可以看出形成液的對產(chǎn)品介質(zhì)層形成影響水平最為顯著，0.01%HNO3形成液下產(chǎn)品的漏電流水平較好。取合格率超過80%的幾組試驗樣品進行96小時電壓老化試驗，監(jiān)控其85℃、52.5V高溫漏電流，每半小時進行數(shù)據(jù)采集一次，產(chǎn)品數(shù)據(jù)如表3所示。

從以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，產(chǎn)品的漏電流水平隨著電壓老化時間延長而上升，經(jīng)過32h后產(chǎn)品的漏電流水平趨于平穩(wěn)?；诋a(chǎn)品壽命評估模型確定的漏電流水平≤36μA（85℃、52.5V），目前試驗7、8、9條件下產(chǎn)品的產(chǎn)品漏電流水平滿足要求。

3.2產(chǎn)品高加速應力試驗。按照條件8的進行樣品生產(chǎn)，并按照“威布爾分布”C等級定級試驗要求進行產(chǎn)品高加速應力試驗，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

從產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可以看出隨著高加速壽命試驗時間的持續(xù)，產(chǎn)品的漏電流逐步趨于穩(wěn)定。通過對產(chǎn)品介質(zhì)層形成工藝技術(shù)攻關(guān)，產(chǎn)品經(jīng)過1.5UR、85℃、500h的“極限評估”驗證，高溫漏電流水平降低為攻關(guān)前的50%，有效地提升了產(chǎn)品的壽命可靠性，產(chǎn)品失效率達到了“威布爾分布”C等級。

4?結(jié)論

通過對“宇航級”片式鉭電容器產(chǎn)品的可靠性研究，對片式鉭電容器的壽命可靠性進行了分配，借助于“EVANS公司的產(chǎn)品壽命評估模型”確定了產(chǎn)品攻關(guān)目標，經(jīng)“4因素3水平” L9（3）的試驗，完成了壽命可靠性的提升。在1.5UR、85℃、500h的“極限評估”試驗中，產(chǎn)品0失效，元件小時數(shù)為5961-6313小時，達到了“威布爾分布”C等級。

參考文獻：

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[3]《Determination of Capacitor Life as a Function of Operating Voltage and Temperature》David Evans.