淺談解決片式鉭電容吸潮問題的方法

王敏

（中國空空導(dǎo)彈研究院元器件中心，河南洛陽，471000）

0 引言

吸潮是非氣密封電子產(chǎn)品面臨的共性問題，是導(dǎo)致電子元件失效的最普遍因素［1］。片式鉭電容一般都是采用環(huán)氧樹脂作為模壓封裝材料，因環(huán)氧樹脂本身的材料特性，被認(rèn)為是一種半密封元件。在潮濕環(huán)境或者常溫環(huán)境中儲存、使用時，片式鉭電容會因在空氣中暴露時間過長而過量吸潮，導(dǎo)致各項性能參數(shù)指標(biāo)下降，從而引起電容擊穿或者其他模式的失效。解決片式鉭電容吸潮問題，就是提高其可靠性。本文主要針對該問題，分析了造成片式鉭電容吸潮的原因，結(jié)合封裝工藝、焊接和儲存環(huán)境的注意事項，提出了解決片式鉭電容吸潮問題的方法。

1 片式鉭電容吸潮原理

片式鉭電容是由粉狀的微小鉭顆粒壓制燒結(jié)而成的，自身存在微孔結(jié)構(gòu)，為潮氣提供了存儲空間。將片式鉭電容自然放置在環(huán)境中時，空氣中的水汽分子因范德瓦爾斯力吸附在封裝層表面，通過分子運(yùn)動，沿水汽濃度梯度方向向電容內(nèi)部各個層面擴(kuò)散，包括封裝層和鉭芯的界面、電解質(zhì)和電介質(zhì)界面、陽極孔隙內(nèi)部等。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化，如電場、電流、溫度的改變時，就會在這些界面或者內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的電應(yīng)力、溫度應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力等，其中溫度或濕度應(yīng)力的梯度對界面有致命的破壞作用，造成片式鉭電容的漏電流(Io)、等效串聯(lián)電阻( ESR) 、損耗因子(DF) 、容量變化(ΔC) 超差等問題，嚴(yán)重時會導(dǎo)致片式鉭電容短路失效。這就是我們常說的片式鉭電容“吸潮”問題。

2 造成片式鉭電容吸潮的原因

(1)封裝材料

我們都知道生產(chǎn)過程中，片式鉭電容會經(jīng)過1300℃以上鉭粉芯燒結(jié)、180℃～200℃石墨層和銀漿層的烘干、200℃以上封裝材料固化等幾道較高溫度工序。這些工序可以使片式鉭電容自身結(jié)構(gòu)微孔中因吸潮產(chǎn)生的水汽蒸發(fā)逸出。試驗發(fā)現(xiàn)，此工藝下的環(huán)氧樹脂即使在200倍的顯微鏡下也不存在微細(xì)氣孔，密封性良好。

但在塑封過程中，塑封材料環(huán)氧樹脂是在液體條件下開始固化，其密度遠(yuǎn)大于鉭芯本身，會造成水汽難以逸出；另外為了鉭芯與電路聯(lián)通，必須使用熱膨脹率與環(huán)氧樹脂封層不同的引線。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，在鉭芯引出線和環(huán)氧樹脂包封層之間會產(chǎn)生微細(xì)縫隙，液體不能進(jìn)入這些微細(xì)縫隙，而環(huán)氧樹脂材料的透氣率又不足以使內(nèi)部水汽迅速蒸發(fā)逸出，因此在一定時間內(nèi)仍無法阻止各種氣體和水汽的緩慢滲入，直到飽和而達(dá)到一種動態(tài)的平衡。封裝材料中潮氣的吸附屬于Fichian 型，是一個可逆過程［2］。

(2)回流焊

根據(jù)《GJB2283A-2014片式固體電解質(zhì)鉭固定電容器通用規(guī)范》可知片式鉭電容進(jìn)行回流焊時，需超過183℃保持至少45s,最高溫度在230℃～245℃至少保持5s。在這個過程中，片式鉭電容內(nèi)部吸附的水汽會瞬間汽化并迅速膨脹，水汽的摩爾體積增大40倍，導(dǎo)致內(nèi)部壓力瞬間變大，對介質(zhì)氧化膜造成很大的熱沖擊，加劇封裝材料和鉭芯子之間的分離。但由于各種材料吸濕溶脹能力不同，在各個界面引起不同程度的機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變。當(dāng)這個蒸汽壓施加到鉭芯子力學(xué)性能較弱的部分時，封裝內(nèi)部會出現(xiàn)分層，或是出現(xiàn)一些未擴(kuò)展至外部的裂痕。

片式鉭電容如果長時間工作在150℃以上的高溫環(huán)境下，會使陽極極化過程中膜層表面離子局部過熱，從而獲得晶化所需的活化能，出現(xiàn)結(jié)晶點(diǎn)，并生長成結(jié)晶膜，導(dǎo)致漏電流增加，最終惡化失效，這一現(xiàn)象被稱為熱致晶化。

在回流焊過程中，焊接溫度超過包封材料的玻璃化溫度，會引起包封材料的物理性能變化，當(dāng)片式鉭電容內(nèi)部壓力超過環(huán)氧樹脂與鉭芯之間的粘結(jié)強(qiáng)度和環(huán)氧樹脂的彎曲強(qiáng)度時，內(nèi)部裂紋會延伸到片式鉭電容的表面，造成片式鉭電容的表面起泡或開裂，如圖1所示。情況嚴(yán)重時，會最終導(dǎo)致器件炸裂，這就是通常所說的“爆米花效應(yīng)”。

圖1 片式鉭電容吸潮后開裂

(3)存儲環(huán)境

因不同類型的電子元器件，制作原材料對濕度敏感程度不同，而分為不同濕度敏感等級。不同濕度敏感等級電子器元件，在交付和使用前，必須采用與濕度敏感等級相對應(yīng)的密封包裝形式，以防止從生產(chǎn)完成到使用前，在空氣中暴露時間過長而過量吸潮，導(dǎo)致發(fā)生質(zhì)量問題。美國電子工業(yè)聯(lián)合會（IPC）和焊接電子元件能委員會（JEDEC）聯(lián)合出版IPC/JEDEC J-STD-020標(biāo)準(zhǔn)中將元器件分為1，2，2a，3，4，5，5a，6八個濕度敏感等級，等級1為濕度敏感度最低的等級，等級6為濕度敏感度最高的等級，即數(shù)字越大，該器件對濕度敏感等級越高，對水汽越敏感，儲存環(huán)境要求越高。

經(jīng)試驗測定，濕度敏感等級為3的片式鉭電容在正常存儲條件下的固有飽和表面吸附水含量約0.14%～0.17%，在85%RH，MnO2中水汽的吸附量達(dá)到2%。這說明，在儲存過程中，模壓層封裝材料、MnO2和陽極體的微孔會吸附周圍環(huán)境的水汽，大部分微孔會基本達(dá)到飽和，形成“休眠”狀態(tài)。當(dāng)受到浪涌電流或電壓作用后，這些休眠的微孔會被尖峰電流激活，使得Ta2O5和MnO2層瞬間產(chǎn)生的巨大熱量無法及時釋放，導(dǎo)致片式鉭電容短路或發(fā)生其他失效。

3 解決吸潮問題的方法

3.1 封裝工藝改進(jìn)

3.1.1 改進(jìn)方法

更換密封性更好的封裝材料，可以從本質(zhì)上解決片式鉭電容吸潮問題，但會大幅度增加生產(chǎn)成本。國內(nèi)生產(chǎn)廠家，大部分都是在現(xiàn)有工藝完成封裝前再涂覆一層封裝材料，然后用新型的環(huán)氧封裝復(fù)合材料進(jìn)行封裝，其余工藝流程不變，這樣不僅可以有效增加其密封性，還能很好的兼顧生產(chǎn)成本，降低工藝改進(jìn)難度。

片式鉭電容發(fā)生鼓脹或開裂的部位全部集中在包封材料和電容引線框架結(jié)合部位，從包封層剝離后的狀況來看，該處的包封材料最薄，而且材料和金屬框架之間的粘接性能最差［3］，因此這種涂覆材料一般會涂抹在引線框架和封裝材料結(jié)合處。

3.1.2 改進(jìn)驗證

選擇三種不同殼號的片式鉭電容，進(jìn)行工藝改進(jìn)，并記錄改進(jìn)前后重量的變化，計算出相對吸潮率。相對吸潮率=（吸潮后的重量-吸潮前的重量）/吸潮后的重量×100%，詳見表。

由表1可以看出，改進(jìn)后吸潮率分別降低0.066，0.071，0.063。這說明涂覆封裝輔料，可以有效降低電容器的吸潮率，在一定程度上可以解決因吸潮引起的失效。

表1 各種規(guī)格和殼號的電容吸潮對比

3.2 焊接方式改進(jìn)

3.2.1 焊接前進(jìn)行烘烤

片式鉭電容生產(chǎn)廠家一般都會采用真空防潮袋包裝，包裝內(nèi)含濕度指示卡（見圖2）與干燥劑。焊接前，需要檢查濕度指示卡，若指示卡10%RH點(diǎn)為藍(lán)色，且該電容未超過環(huán)境中允許暴露時間（見表2），表示元器件干燥合適，可直接使用。若濕度指示卡5%RH點(diǎn)為粉紅色且10%RH點(diǎn)不為藍(lán)色，則表示該電容暴露時間已經(jīng)超過了環(huán)境中允許暴露時間，已處于潮濕狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)行烘烤去潮處理。烘烤的條件取決于元器件的厚度（尺寸大?。?、超出車間壽命的時間和元器件自身的濕敏等級［4］，IPC/JEDEC J-STD-033給出了烘烤的標(biāo)準(zhǔn)，詳見表3。

表3 烘烤溫度與時間

圖2 濕度指示卡

表2 允許暴露在空氣中的時間

3.2.2 焊接方式

在生產(chǎn)各類電子整機(jī)的電路板時，為了適應(yīng)當(dāng)下小型化、自動化，提高制造速度和焊接質(zhì)量，一般采用表面貼片機(jī)自動貼裝，只需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，即可自動進(jìn)行回流焊或者波峰焊。對于95%以上片式鉭電容來說，在焊接時只需選擇合適的焊接曲線，就既能保證焊接質(zhì)量良好，又能提高焊接效率。但是對于體積較大的G、G4、N、U、V等大殼號片式鉭電容，這種焊接方式和焊接設(shè)備反而會容易出現(xiàn)虛焊，或者因受熱面積過大造成片式鉭電容性能受損甚至破壞，因此建議采用手工焊，以減少熱沖擊對電容器的使用可靠性的影響。

3.3 儲存環(huán)境改進(jìn)

對于片式鉭電容這類半密封元件，在儲存過程中需嚴(yán)格按照防潮要求，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，是保障其可靠性至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。通常，片式鉭電容采用真空防潮包裝，存儲在溫度40℃、濕度90%RH的非冷凝空氣環(huán)境中，并在包裝上粘貼警告或條形碼，標(biāo)示預(yù)期的存儲壽命。一般片式鉭電容的存儲壽命是從包裝封口日算起，至少為12個月。對于未使用完、散裝的片式鉭電容需要放置在空氣干燥箱中，箱內(nèi)的溫度和濕度條件應(yīng)維持在25±5℃和10%RH。箱內(nèi)可使用氮?dú)饣蚋稍锟諝猓?］。

4 總結(jié)

解決片式鉭電容吸潮問題，不僅需要通過工藝改進(jìn)，提高包封層的密封性，還需參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合存儲環(huán)境和現(xiàn)場條件，在焊接前對片式鉭電容進(jìn)行烘烤去潮，可以有效的避免鼓脹或開裂現(xiàn)象發(fā)生。