鉭電容失效機(jī)理

1、鋰電容失效機(jī)理簡(jiǎn)單一點(diǎn)說(shuō)是這樣的。1）鋰電容的失效模式是短路形式。故而在可靠性要求高的場(chǎng)合，如軍品，宇航，汽車(chē)級(jí)電路中一般限制使用。如星上就不用。NASA子像也是規(guī)定不能用。2）鋁電解質(zhì)電容其ESR可以做的很小的，如果我沒(méi)有記錯(cuò)的話，可以到毫歐級(jí)。文摘1:ESR（等效串聯(lián)電阻，應(yīng)該注意的問(wèn)題前兩天我負(fù)責(zé)的一個(gè)LDO測(cè)試工程師上電后發(fā)現(xiàn)輸出振蕩了。我做的時(shí)候沒(méi)有振蕩，對(duì)照下來(lái)，輸出電容不一樣，我用的是10u的鋁電解，他用的是鋰電容。因?yàn)槲乙郧皩?duì)這兩種電容有過(guò)測(cè)試，所以，把他用的電容拿過(guò)來(lái)在Fluke,RCL測(cè)量?jī)x上測(cè)試，ESR高達(dá)13歐姆（10kHz）,而我以前的測(cè)試的10u鋰電容一般只有0.5

2、歐姆左右。所以換成ESR=0.5歐姆的電容就沒(méi)有振蕩了。在很多的電容介紹中，只是偶爾提到ESR這個(gè)概念，而沒(méi)有具體說(shuō)明數(shù)值，也許是種類(lèi)繁多不好概括吧。ESR與制作材料，頻率，溫度和電容值都有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)同一種工藝、同一廠家生產(chǎn)的同一種電容，電容值與ESR的乘積接近常數(shù)。上面說(shuō)的13歐姆的電容顯然是有問(wèn)題的（但沒(méi)標(biāo)準(zhǔn)，只能按照經(jīng)驗(yàn)判斷了）.，由于沒(méi)做過(guò)系統(tǒng)，對(duì)各種電容的ESR不了解，最好請(qǐng)哪位大俠能公布各種電容的ESR作參考。不過(guò)最好的辦法是使用前量一下。文摘2:關(guān)于使用固鋰和液體鋰電容的淺釋彭寶霞（航天511所）摘要：本文對(duì)液體鋰電容和固體鋰電容的失效原因作了具體分析。對(duì)這兩種產(chǎn)品的使用提

3、出自己的看法和建議。關(guān)鍵詞：液鋰固鋁可靠性鋰電容器分為固體鋰電容器和液體鋰電容器。它們?cè)谲娪谜麢C(jī)中大量使用。例如：液體鋰電容器在84年只有529廠和502所兩個(gè)單位使用，用量不到2000只。而95年五院各廠所的液體鋁訂貨量將近1萬(wàn)只。固體鋰電容器更是大量使用。隨著固體鋰電容器和液體鋁的大量使用。先后暴露的質(zhì)量問(wèn)題也不少。我們了解到早期有單位禁止使用液粗，而近期的單位禁止使用固粗，這是怎么回事？一、早期某些單位禁用液粗，禁用的理由：1 .液體鋰電容器的漏液?jiǎn)栴}液體鋰電容器工作電解質(zhì)為酸性液體，如果產(chǎn)品密封不好，出現(xiàn)漏液。酸性液體漏到電路的印制板上，使線條之間短路，發(fā)生嚴(yán)重故障。另外，液體鋰電容器

4、在加電工作時(shí)不斷化學(xué)反應(yīng)要分解出氣體，在高真空條件下氣體在殼內(nèi)膨脹而發(fā)生爆炸，引起導(dǎo)線之間短路。2 .液體鋰電容器的耐反向電壓?jiǎn)栴}液體鋰電容器采用的銀外殼。當(dāng)加上反向電壓后Ag+離子很快通過(guò)電解液及Ta2O5介質(zhì)膜并向鋰正極上遷移。即使有0.1V的反向電壓，也會(huì)損壞了Ta2O5介質(zhì)，可使其損毀。用戶(hù)在使用中及篩選測(cè)試中都不能加上反向電壓。航天總公司1997年發(fā)出通報(bào):在某一線路中的液體鋁上有0.5V的反向電壓，引起了失效，要引以為鑒！因以上原因，有些單位禁用液粗。二、為什么還在大量使用液體鋰電容器？1 .防止液體鋰電容器漏液采用全密封型液體鋰電容器。雖然我國(guó)生產(chǎn)液體鋰電容器已有近30年的歷史，

5、但真正制造全密封液體鋰電容器才剛剛起步。特別是國(guó)產(chǎn)玻璃絕緣子的配件質(zhì)量過(guò)不了關(guān)。而航天器的設(shè)計(jì)要求是在真空度高于1X105帕條件下，液體鋰電容能在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)正常工作。近年來(lái)生產(chǎn)廠解決了一些關(guān)鍵問(wèn)題，引進(jìn)了生產(chǎn)線，有了關(guān)鍵設(shè)備。使液鋰電容器的使用可靠性大大提高。例如：貴州4326廠白CAK35全密封液體鋰電容采用三級(jí)密封新的工藝，解決了密封問(wèn)題。其引進(jìn)生產(chǎn)線在92年通過(guò)了設(shè)計(jì)定型。94年度五院電子元器件可靠性中心，按GJB733-94標(biāo)準(zhǔn)和航天特殊要求，進(jìn)彳T了用戶(hù)認(rèn)定試驗(yàn)。95年度4326廠又在廣五所取得CAK35的五級(jí)可靠性認(rèn)證鑒定試驗(yàn)合格的證明。2 .避免反向電壓?jiǎn)栴}在測(cè)試篩選、調(diào)試及線

6、路中規(guī)定，不得有反向電壓加到液鋰上去，來(lái)避免反向電壓的損壞。防止振動(dòng)沖擊失效采用了防振墊圈液鋁經(jīng)受不了振動(dòng)沖擊，出現(xiàn)過(guò)間歇短路。經(jīng)過(guò)失效分析：液鋁殼內(nèi)的液體不能將鋁塊固定。另一端的粗絲被絕緣子固定住。鋁塊與粗絲成為一個(gè)懸臂，因此振動(dòng)時(shí)，鋁塊經(jīng)常要碰擊銀殼的內(nèi)壁造成短路，現(xiàn)象是時(shí)好時(shí)壞的間歇短路。目前采取的辦法是設(shè)計(jì)了防振墊圈固定住粗塊，有效的克服間歇短路。34 .增加補(bǔ)充篩選經(jīng)五院可靠性中心補(bǔ)充篩選，為型號(hào)上使用液體粗把好關(guān)。為提高上機(jī)率，根據(jù)航天器的真空條件，多年來(lái)增加48小時(shí)的真空試驗(yàn)，剔除密封不好產(chǎn)品。三、某些單位禁用固粗，禁用固鋰的理由：1 .固鋁因不斷擊穿”又不斷自愈”問(wèn)題產(chǎn)生失效。

7、在正常使用一段時(shí)間后常發(fā)生固粗密封口的焊錫融化，或見(jiàn)到炸開(kāi)，焊錫亂飛到線路板上。分析原因是其工作時(shí)缶穿”又自愈”，在反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致漏電流增加。這種短時(shí)間（nsms）的局部短路，又通過(guò)自愈”后恢復(fù)工作。關(guān)于自愈”。理想的Ta2O5介質(zhì)氧化膜是連續(xù)性的和一致性的。加上電壓或高溫下工作時(shí)，由于Ta+離子疵點(diǎn)的存在，導(dǎo)致缺陷微區(qū)的漏電流增加，溫度可達(dá)到500c1000c以上。這樣高的溫度使MnO2還原成低價(jià)的Mn3O4。有人測(cè)試出Mn3O4的電阻率要比MnO2高45個(gè)數(shù)量級(jí)。與Ta2O5介質(zhì)氧化膜相緊密接觸的Mn3O4就起到電隔離作用，防止Ta2O5介質(zhì)氧化膜進(jìn)一步破壞，這就是固粗的局部自愈了但是，很

8、可能在緊接著的再一次缶穿”的電壓會(huì)比前一次的缶穿”電壓要低一些。在每次擊穿之后，其漏電流將有所增加，而且這種擊穿電源可能產(chǎn)生達(dá)到安培級(jí)的電流。同時(shí)電容器本身的儲(chǔ)存的能量也很大，導(dǎo)致電容器永久失效。2 .固鋁有熱致失效”問(wèn)題固粗的Ta2O5介質(zhì)氧化膜有單向?qū)щ娦阅?，?dāng)有充放大電流通過(guò)Ta2O5介質(zhì)氧化膜，會(huì)引起發(fā)熱失效。Ta2O5介質(zhì)氧化薄膜厚度只有？級(jí)。無(wú)充放大電流時(shí)，介質(zhì)氧化膜相當(dāng)穩(wěn)定，微觀下其離子排列不規(guī)則、無(wú)序的，稱(chēng)作無(wú)定形結(jié)構(gòu)。目測(cè)呈現(xiàn)的顏色是五彩干涉色。當(dāng)無(wú)定形結(jié)構(gòu)向定形結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)化，逐步變?yōu)橛行蚺帕?，稱(chēng)之為晶化”，目測(cè)呈現(xiàn)的顏色不再是五彩干涉色，而是無(wú)光澤、較暗的顏色。Ta2O5介

9、質(zhì)氧化薄膜的晶化”疏散的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鋰電容器性能惡化直至擊穿失效。3 .固鋁有場(chǎng)致失效”問(wèn)題。固鋁加上高的電壓，內(nèi)部形成高的電場(chǎng)，易于局部擊穿。因有以上三種失效機(jī)理，某些單位提出禁用固粗。四、為什么還在大量使用固鋰電容器？固鋁盡管存在以上問(wèn)題，但筆者統(tǒng)計(jì)固粗的現(xiàn)場(chǎng)使用失效率也可達(dá)到1X10-8/h。生產(chǎn)方在選用材料上入手，為解決固粗不斷擊穿”又不斷自愈”，應(yīng)用超純鋁粉材料和工藝控制來(lái)減少這種局部缶穿”現(xiàn)象。分析了固鋁在加上電壓或高溫下工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部缶穿”現(xiàn)象。固鋁環(huán)境溫度從+85c降到55c使用，工作壽命增加10倍。2 .克服固鋁的熱致失效”問(wèn)題為解決熱致失效”問(wèn)題。應(yīng)用方在線路上入手，采取限

10、流措施，增加固鋁線路中的回路電阻。筆者見(jiàn)到有文獻(xiàn)報(bào)道：如果應(yīng)用線路中的串聯(lián)電阻從3W下降到0.1W,則其可靠性會(huì)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上?！奔垂啼X的可靠性下降十倍！在固鋁線路中，增加串聯(lián)電阻，達(dá)以1W/1V后，可增加固鋁應(yīng)用可靠性。3 .克服固鋁的場(chǎng)致失效”問(wèn)題多年來(lái)解決固鋁的場(chǎng)致失效”進(jìn)行了研究?！皥?chǎng)致失效”的原因是加到固鋁上的電壓越高，場(chǎng)強(qiáng)越高，越容易產(chǎn)生“場(chǎng)致失效”。所以為提高固鋁可靠性，必須采取電壓降額使用！一般高可靠線路中固鋰電壓降額50%使用，其工作壽命可延長(zhǎng)100倍。1五、建議今后慎用固體鋰電容器和液體鋰電容器筆者了解到國(guó)內(nèi)、外的實(shí)用情況：1 .航天部某所在研制DC/DC變換器即開(kāi)關(guān)電

11、源上不用固體鋰電容器和液體鋰電容器，采用的是開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用濾波電容器。2 .美國(guó)一家生產(chǎn)DC/DC電源的公司來(lái)航天部502所座談、討論。他們研制DC/DC電源上不用固體鋰電容器和液體鋰電容器，是軍品規(guī)定的。3 .查美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-975H«NASA標(biāo)準(zhǔn)EEE電子元器件目錄中已規(guī)定“固鋁電容器不得用于電源濾波器中”應(yīng)該引起我們高度重視！回想使用固體鋰電容器和液體鋰電容器中，出現(xiàn)過(guò)故障、失誤。往往誤認(rèn)為是偶然問(wèn)題，重?fù)Q一個(gè)產(chǎn)品又在工作下去。一方面原因分析不徹底，另一方面也沒(méi)有找到新的品種。例如：87年某型號(hào)整機(jī)在系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，剛開(kāi)機(jī)就發(fā)生一只固鋰電容器冒煙燒壞。一瞬間可見(jiàn)到固鋁電容器的封口處的焊錫熔化，并將直流穩(wěn)壓電源燒