《2022年钽电容介绍 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年钽电容介绍 .pdf（22页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、钽电容介绍一. 前言 1 钽的理化性能二. 钽电容简介和基本结构2.1.基本结构2.2.工艺流程三. 钽电容的主要特性参数3.1.容值3.2.额定工作电压 &浪涌电压3.2.1.浪涌电压3.2.2.反向电压3.3.电流3.3.1.纹波电流 &浪涌电流3.3.2.漏电流3.4 耗散因子 (DF 值) 3.5 阻抗，等效串联阻抗 (ESR)&感抗四. 电容失效模式 , 机理和失效特点五. 设计，保存，焊接注意事项5.1.设计注意点5.1.1.电压5.1.2.电流5.1.3.热设计 &功耗考虑5.2.组装，焊接 &清洗5.3.保存六、钽电解电容器应用指南名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -
2、- - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 22 页 - - - - - - - - - 一. 前言1.1 金属钽的性质1.1.1物理性质1802 年，稀有金属钽( Ta) 由 AG Ekeberg 发现，位于元素周期表VB 族中2， 原子序数73，原子量为 108.195 ，属于体心立方结构，晶格常数A： 3.2959 ，熔点为2996 ，沸点5427 ，仅次于钨和铼，位居第三。室温下的电阻率为13.58 cm，电离电位7.30 3V。1.1.2化学性质钽具有非常好的化学稳定性，不与空气和水作用，无论是在冷和热
3、的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。除氢氯酸以外能抵抗包括“王水”在内的一切无机酸，也包括任何碱溶液的侵蚀。将钽放入200 的硫酸中浸泡一年，表层仅损伤0.006毫米。实验证明，钽在常温下，对碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不起作用，仅在氢氟和热浓硫酸作用下有所反应，这样的情况在金属中是比较罕见的。它的另一个重要特性是可以吸收气体，如氢、氮、氧等，并形成相应的固溶体或化合物。1.1.3力学性能金属钽具有高熔点、极强的抗腐蚀能力和良好的强度。钽富有延展性，可以拉成细丝式制薄箔。其热膨胀系数很小，每升高一摄氏度只膨胀百分之六点六。除此之外，它的韧性很强，比铜还要优异。但是，硬度
4、偏低，抗划伤能力和抗变形能力不足，使用寿命短，制约了金属钽的推广应用，这样，对其表面进行强化处理就显得非常重要。钽所具有的特性，使它的应用领域十分广阔。在制取各种无机酸的设备中，钽可用来替代石墨阴极，寿命可比石墨阴极提高几十倍。此外，在化工、电子、电气等工业中，钽可以取代过去需要由贵重金属铂承担的任务，使所需费用大大降低。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 22 页 - - - - - - - - - 二.钽电容简介和基本结构固体钽电容是将钽粉压制成型,在高温
5、炉中烧结成阳极体,其电介质是将阳极体放入酸中赋能,形成多孔性非晶型 Ta2O5介质膜 ,其工作电解质为硝酸锰溶液经高温分解形成MnO2 ,通过石墨层作为引出连接用。钽电容性能优越，能够实现较大容量的同时可以使体积相对较小，易于加工成小型和片状元件，适宜目前电子器件装配自动化，小型化发展，得到了广泛的应用，钽电容的主要特点有寿命长，耐高温，准确度高，但耐电压和电流能力相对较弱，一般应用于电路大容量滤波部分。2.1. 基本结构下图为 MnO2为负极的钽电容名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -
6、- - - 第 3 页，共 22 页 - - - - - - - - - 下图为聚合物（Polymer）为负极的钽电容名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 22 页 - - - - - - - - - 2.2.工艺流程一、工艺制造流程大致工艺流程如下（粗体为关键工序）：原材料检验 成型工序 烧结工序 湿检 QC焊接工序 赋能工序 被膜工序 石墨银浆工序 浸银 QC 装配工序模塑工序喷砂工序打印工序切边工序预测试工序老练工序 测试工序外观工序编带工序查盘工序成品Q
7、C入库储存包装发货QC 下面按照工艺流程路线作一个简要的介绍：a）原材料检验：b) 成型：粗细比例不同的颗粒钽粉与溶解于溶剂中的粘合剂均匀混合好，待溶剂挥发后，再与钽丝一起压制成阳极钽块；该工序自动化程度较高，每隔一定时间，操作员将混好的钽粉倒入进料盘（防止钽粉太多产生的自重，粘结在一起） ，设备自动按照尺寸模腔压制成型；c) 脱腊和烧结：脱腊又叫预烧，即将压制成型的钽块内的粘结剂去除；烧结则是将已经脱粘结剂的钽块烧结成为具有一定机械强度的微观多孔体，烧结过程只是颗粒与颗粒间接触的部分熔合在一起，但若烧结温度过高，则会导致颗粒与颗粒之间的熔合部分过多，导致表面面积减少；脱腊和烧结对炉的真空度、
8、起始温度、升温、保温、降温及出炉、转炉时间等参数均有严格控制要求。d) 湿检 QC：湿检是通过对烧结后的钽块抽样进行赋能试验及电参数测试确定钽块的烧结比容，为下道赋能工艺的参数进行优化（电流密度、形成电压等），同时反馈调整上道烧结工序的温控曲线等参数。同时，还会对钽块、钽丝的外观尺寸、强度等参数进行测试。e) 焊接：该工序自动将单支钽阳极块穿上四氟垫，焊接在工艺条上并收集在工艺架上，形成整架产品，以便后道工序进行整架产品的操作。f) 赋能：赋能工序是很关键的一道工序，它利用电化学的方法，在阳极表面生成一层致密的绝缘Ta2O5氧化膜，以作为钽电解电容器的介质层。过程为成架的产品浸入形成液中（通常
9、为稀硝酸液）一定深度，硝酸溶液会渗透到钽块内部的孔道内，再将钽块作为阳极通以电流，硝酸分解出氧，就会在与硝酸接触的钽粒子表面生成 Ta2O5氧化膜。g) 被膜：被膜是将已经赋能好的钽电容进行清洗干燥后，浸在硝酸锰溶液中， 硝酸锰溶液一直深入到钽块内部孔洞，硝酸锰加热分解变成二氧化锰形成电容的阴极。此工序须重复多次直到内部间隙都充满二氧化锰，这样保证二氧化锰的覆盖率使电容的容量不会有损失。h) 被石墨银浆：石墨层作为缓冲层， 既减小了 ESR 又可以防止银浆与二氧化锰接触导致银浆的氧化；银浆层的目的是提供一种等电位表面，收集电容器充放电的移动电流，它也易于和引线框架连接。石墨的浸渍采用仪器自动控
10、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 22 页 - - - - - - - - - 制，一般是一到二次 （S、A、B 壳为二次； 其余为一次），浸渍石墨层后需要进行固化(150 3040mins) ；而银浆的浸渍则采用手工按工艺条来操作(固化温度 160 5060mins) ，每隔一定时间就重新对银浆槽搅伴，以确保银浆的粘度，该工序的手工操作较多，感觉不是太好。i) 浸银 QC：浸银 QC 是对前面阴极生成工序后的电性能和外观尺寸的抽检，电性能测试包括：容量、损
11、耗、漏电流及ESR 四参数，采用PC 与测试设备构成的数据采集系统。j) 装配：将被银后的产品定距切断，在切断前先对钽丝表面的氧化膜刮除，防止虚焊，再将阳极焊接在框架上，阴极通过银膏固化与框架托片结合在一起。k) 模塑：将装配后的框架条产品模塑包封，使其成为具有一定几何尺寸和外观质量的形体。l) 喷砂：喷除模塑后产品框架上的多余溢料和毛刺，并对产品进行固化加强产品的模塑强度。喷砂的介质已经改用为水，这样对可焊性的影响更小。m) 打印：打印产品的标称容量、额定电压和阳极标识，以进行产品标识识别。n) 切边：将框架条产品的阳极边切除，方便后续的电性能测试和老炼筛选。o) 预测试：只是测试产品的漏电
12、流，并剔除漏电流大的产品。该工序自动化程度较高。p) 老化筛选：钽电容的可靠性程度取决于筛选工序的方法和实施程度，因此老化筛选是重点工艺。生产线一般有两套老化炉，一套同时具备浪涌测试及老炼功能；另一套只具有高温老炼功能。其工序分为三段：一次老炼、浪涌测试、二次老炼。q) 测试：老炼浪涌测试完的产品会进行电性能四参数的测试，容量、损耗、漏电流及ESR ，不合格品会自动剔除到收集盒。r) 外观分选：对产品的外观进行全检，并剔除外观废品。s) 编带：利用编带机将产品引线成型，并自动编带成为一整卷盘产品。t) 查盘：对编带后产品的外观进行100 的检验，剔除外观不合格品，将合格品重新热封，去除多余载带
13、，调整卷盘缠绕方向并打好包装。u) 成品 QC：成品 QC 进行外观、电性四参数、可焊、耐焊的检验。产品抽样进行回流焊试验，确定产品的电性能参数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 22 页 - - - - - - - - - 不会有太大的变化率。三.钽电容的主要特性参数钽电容器在实际制造过程中，由于使用的原材料性能差异和工艺水平不同以及装备性能的不同，批量生产出的产品的性能尽管都符合标准规定，但实际上不同生产厂家生产的产品的性能存在明显的质量差异。即使是同一生
14、产批，不同只产品实际上也存在质量差异。造成此现象的深层次原因是钽电容器复杂的生产工艺过程使产品参数不可能保持绝对的完全一致，因此,追求质量一致性和追求高性能就成为所有生产厂家的重要目标。而对于用户而言，造成使用时失效的原因主要有两点；一；产品性能参数与电路使用条件不匹配。二；由用户提供的产品存在质量问题。钽电容器的各电性能参数对使用时可靠性的影响钽电容器的实际参数如下；1 CR； 额定容量 uF ； 2 DF； 损耗 % ； 3 DCL; 直流漏电流 uA ； 4 ESR;等效串联电阻。 3.1.容值容量精度对使用影响及可靠性影响简单说明；在实际工作状态， 容量大小可以决定滤波后的信号响应速度
15、和波幅大小，在脉冲充放电电路中可以决定输出电流波形是否合乎要求。但是，除非在工作频率非常高的电路需要滤波的信号较弱时，必须需要高的容量精度，一般的 DC-DC 电路中的滤波和脉冲充放电，容量的微小偏差根本不会影响使用效果，更不会影响可靠性。因此，在实际使用中容量的偏差幅度大小不会对可靠性造成任何影响。容值一般的测试条件：环境温度： 25 度室温下，频率：120HZ，电压：交流有效值最大1V或最大直流 2.5V 。一般来讲，容值随频率增加而降低，随温度增加容量也会略有增加，因为固体钽电容采用固体MnO2电解质，容量变化相对稳定，在滤波应用时，容量变化基本可忽略。容值 VS频率变化曲线：容值 VS
16、温度变化曲线：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 22 页 - - - - - - - - - 3.2.额定工作电压 &浪涌电压一般规格书上标示的工作电压为在一定温度范围内最大直流电压（低于85 度），当温度高于85 度，额定电压会降低，一般在125 度，额定电压降为原额定电压的2/3 。工作电压 VS温度变化曲线：3.2.1.浪涌电压一般钽电容 能承受的 浪涌电压大约为额定电压或类别电压的1.3 倍，超过浪涌电压很容易导致Ta2O5介质的击穿，下表出示了一般
17、固体钽电容在25&85度， 125浪涌电压值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 22 页 - - - - - - - - - 额定电压 (V) 25 &85 浪涌电压 (V) 25 &85 减额电压 (V)125 浪涌电压 (V)125 3 4 2 2.4 4 5.2 2.7 3.2 6 8 4 5 10 13 7 8 16 20 10 12 20 26 13 16 25 33 17 20 35 46 23 28 50 65 33 40 3.2.2.反向电压
18、一般不允许对钽电容施加反向电压，并且不可在纯交流的环境中应用，若在不得以情况下允许时间小量的反向电压。 25环境下：小于或等于10%Ur或 1V（取较小者） 85环境下：小于或等于5%Ur或 0.5V（取较小者），125环境下：小于或等于1%Ur或 0.1V （取较小者），IEC60384-3 对反向电压测试条件为：125环境下， 3Vdc 或 10%UR （取较小者）测试125 小时。3.3.电流3.3.1.纹波电流 & 浪涌电流浪涌电流和纹波电流破坏机理主要是通过引起器件的过热，导致器件烧毁，功率损耗（P有）与纹波电流（ Irms ）的关系由下式表示：P 有=V-I 漏+Irms2R Ir
19、ms2Rs ，其中： V-：直流偏压（ V） ； I漏：漏电流（ A） ； Rs：等效串联电阻（） ； Irms：纹波电流。由上式可以看出：当Rs 增大或当Irms 增大时，功率损耗增大, 因此，在高频线路中要求通过钽电解电容器的纹波电流小和选用等效串联电阻小的钽电解电容器。在所有应用中都应注意电路中纹波电流和浪涌电流不应太大， 一般来讲，浪涌电流和纹波电流在钽电容规格书中没有写出，需要咨询供应商， 或者应用 I=U/R粗略估算，其中U为额定电压和浪涌电压。R为等效串联阻抗 , 国军标和供应商一般建议在低阻抗电路中串接一电阻降低其浪涌电流的冲击（一般建议串接1V/ohm或 3V/ohm）3.3
20、.2.漏电流DCL 值是钽电容器性能高低的最重要的决定性参数，特别是产品漏电流的衰减速度和高温时的漏电流变化率将对产品的可靠性起到决定性的影响。因此，一只产品在使用时的可靠性高低主要取决于该只产品的漏电流大小和高温时该只产品的漏电流变化率。特别是在无电阻保护的低阻抗开关电源电路也叫 DC-DC电路或低阻抗电路和大功率脉冲充放电电路里使用时，该只产品的上述特性将对电路可靠性影响非常大，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 22 页 - - - - - - - -
21、- 几乎是决定性的。因为此类电路中存在频繁的浪涌电压和浪涌电流，耐压不够和高温时漏电流变化大的产品根本不能承受浪涌冲击，瞬间就有可能被击穿而失效或爆炸。钽电容器漏电流与充电时间之间关系：不同生产厂家生产的相同规格的产品的漏电流衰减速度完全不一样，尽管它们都是合格品。钽电容器的漏电流会随充电时间延长而逐渐降低，3 分钟内达到稳定态，但不同质量的产品在充电时的漏电流衰减速度却因为不同的生产条件而不同。衰减速度快的产品由于在极短的时间内通过电流较小而产生的热量较小，因此，产品几乎不存在可导致产品瞬间失效的过高热量集中，因此产品不容易发热失效。通过的漏电流小，说明该产品的介电层质量较好，可以安全承受更
22、高的电压和电流冲击，而漏电流衰减速度慢的产品，不光容易在浪涌产生时因为通过电流大而击穿，而且极易爆炸燃烧，对使用者造成毁灭性影响。因此，用户可以通过测试钽电容器的漏电流衰减速度来甄别钽电容器耐电压冲击能力和耐电流冲击能力。钽电容器的伏安特性关系：从相同规格的产品在不同电压下测试出的漏电流来看，钽电容器的漏电流会随测试或使用电压的增加而增加，至到击穿 这种现象叫做钽电容器的伏安特性。但不同厂家生产的产品，漏电流增加的程度会有很大差别。实际上，钽电容器容许施加1.3 倍的额定电压而不会出现任何质量问题，但如果某只产品的漏电流随电压的变化而变化过大的话，这样的产品将不能承受过高的工作电压，同样，它也
23、不能承受即使是偏高的浪涌电压冲击。质量较高的产品的漏电流在规定的测试或使用电压范围内变化将较小。反之，产品的质量将不能满足用户的基本要求。 这样的产品因为抗浪涌能力较差,因此 ,使用在存在大的脉冲电流的电路将非常容易出现击穿现象. 钽电容器的漏电流和工作温度之间的关系：钽电容器的漏电流会随使用温度的增加而增加,此曲线称作漏电流温度曲线.但不同厂家生产的相同规格的产品，常常由于生产工艺和使用的原材料及设备精度不同而高温漏电流变化存在非常大的差别.高温漏电流变化大的产品在高温状态会由于自己产生的热量的不断累积而最终出现击穿现象.高温漏电流变化小的产品在高温下长时间工作，产品的稳定性和可靠性将较高.
24、因此高温时产品漏电流变化率的大小可以决定钽电容器的可靠性. 对于片式钽电容器,高温性能高低对可靠性有决定性的影响. 漏电流 VS 温度：漏电流 VS电压：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 22 页 - - - - - - - - - 漏电流的测试一般是在20时施加额定电压进行测试，在测量电路中与电容串接一1000 OHM保护电阻，充电一到五分钟(KEMET 、VISHAY 、AVX为两分钟、 SANYO 为五分钟 ) ，然后测出漏电流。3.4 耗散因子 (
25、DF 值) 耗散因子是决定电容内部功率耗散的一个物理量，越小越好，一般DF值随频率增加而增加。损耗大小对产品使用影响及可靠性影响说明：损耗（ DF值）是表征钽电容器本身电阻能够造成的无效功耗比例的一个参数，损耗较小的产品ESR也将较小。但损耗大小的微小差别不会对使用造成明显影响，对工作状态的产品的可靠性影响与容量偏差的影响相比较大，但与产品漏电流大小和ESR大小对使用时的可靠性的影响相比仍然较小（漏电流大小和ESR大小影响 损耗大小影响 容量偏差的影响），滤波时如果产品的损耗较大，滤波效果差一些。同时，损耗较大的产品的抗浪涌能力也较差。3.5 阻抗，等效串联阻抗(ESR)& 感抗 ESR是决定
26、电容滤波性能的一个重要指标，钽电容的ESR主要是由引脚和内部电极阻抗引起，是电容在高频上表现的一个很重要的参数，一般来讲，同容量，同电压值的钽电容的ESR要低于电解电容，但要高于多层陶瓷电容，ESR 随着频率和温度的增加而减少，ESR=DF/WC。在谐振频率以下，电容的阻抗是电容的容抗和 ESR的矢量和，在电容产生谐振以后，电容的阻抗是电容的感抗和ESR矢量和。下图出示了电容的等效组成图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 22 页 - - - - - -
27、- - - 其中 :ESL: 描叙的是引脚和内部结构的电感 RL：电容的漏电阻Rd：由电介质吸收和内部分子极化引起的介电损耗ESR与频率特性曲线：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 22 页 - - - - - - - - - 电容阻抗 Z 与频率特性曲线：在脉冲充放电电路，钽电容器会不断承受峰值功率可能达到几十安培的浪涌电流冲击，而且有时候充放电的频率也可能达到几百甚至几千HZ ；在此类电压基本稳定，浪涌电流不断的电路，钽电容器的可靠性不光取决于产品耐压高
28、低及伏安特性和高低温性能，还取决于产品的等效串联电阻ESR的高低，因为ESR值较大的产品在高浪涌时瞬间就会产生更多的热量积累，非常容易导致产品出现击穿。因此，钽电容器 ESR值的高低直接可以决定产品的抗直流浪涌能力。另外 ; 不同 ESR值的产品在存在交流纹波的电路里, 一定时间内产生的热量也与其ESR值高低成比例 ,ESR越高的产品在一定的时间内产生的热量也越高,因此 , 不同规格的产品由于阻抗ESR值不一样 ,具有不同的耐纹波电流能力 . ESR 低的产品不光在高频使用时容量衰减较少, 滤波效果较好而且可以使用在更高频率的电路 , 同时因为它具有更大的抗浪涌能力, 也符合可靠性要求较高的不
29、断通过瞬时大电流的脉冲充放电电路的基本要求 . 四. 电容失效模式 , 机理和失效特点对于钽电容，失效与其他类型的电容一样,也有电参数变化失效、短路失效和开路失效三种。由于钽电容的电性能稳定 ,且有独特的 “ 自愈 ” 特性 ,钽电容鲜有参数变化引起的失效，钽电容失效大部分是由于电路降额不足，反向电压，过功耗导致，主要的失效模式是短路。另外,根据钽电容的失效统计数据,钽电容发生开路性失效的情况也极少。因此 ,钽电容失效主要表现为短路性失效。钽电容短路性失效模式的机理是:固体钽电容的介质Ta2O5由于原材料不纯或工艺中的原因而存在杂质、裂纹、孔洞等疵点或缺陷,钽块在经过高温烧结时已将大部分疵点或
30、缺陷烧毁或蒸发掉,但仍有少量存在。在赋能、 老炼等过程中 ,这些疵点在电压、 温度的作用下转化为场致晶化的发源地晶核 ;在长期作用下 ,促使介质膜以较快的速度发发生物理、化学变化 ,产生应力的积累 ,到一定时候便引起介质局部的过热击穿。如果介质氧化膜中的缺陷部位较大且集中,一旦在热应力和电应力作用下出现瞬时击穿,则很大的短路电流将使电容迅速过热而失去热平衡,钽电容固有的 “ 自愈” 特性已无法修补氧化膜,从而导致钽电容迅速击穿失效。失效机理主要是由于氧化膜缺陷，钽块与阳极引出线接触产生相对位移，阳极引出钽丝与氧化膜颗粒接触等，大部分钽电容失效是灾难性的，可能发生烧毁，爆炸，在应用过程中需特别注
31、意。一、固钽因“不断击穿”又“不断自愈”问题产生失效。在正常使用一段时间后常发生固钽密封口的焊锡融化，或见到炸开，焊锡乱飞到线路板上。分析原因是其工作时“击穿”又“自愈”，在反复进行，导致漏电流增加。这种短时间(nsms)的局部短路，又通过“自愈”后恢复工作。关于“自愈”。理想的 Ta2O5介质氧化膜是连续性的和一致性的。加上电压或高温下工作时，由于Ta离子疵点的存在，导致缺陷微区的漏电流增加，温度可达到5001000以上。这样高的温度使 MnO2还原成低价的Mn3O4。有人测试出Mn3O4的电阻率要比MnO2高 45 个数量级。与Ta2O5名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -
32、 - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 22 页 - - - - - - - - - 介质氧化膜相紧密接触的Mn3O4就起到电隔离作用，防止Ta2O5介质氧化膜进一步破坏，这就是固钽的局部“自愈了”。但是，很可能在紧接着的再一次“击穿”的电压会比前一次的“击穿”电压要低一些。在每次击穿之后，其漏电流将有所增加，而且这种击穿电源可能产生达到安培级的电流。同时电容器本身的储生产方在选用材料上入手，为解决固钽“不断击穿”又“不断自愈”，应用超纯钽粉材料和工艺控制来减少这种局部“击穿”现象。分析了固钽在加上电压或高温下工
33、作时，会产生局部“击穿”现象。固钽环境温度从 85降到 55使用，工作寿命增加10固钽的 Ta2O5介质氧化膜有单向导电性能，当有充放大电流通过Ta2O5介质氧化膜，会引起发热失效。Ta2O5介质氧化薄膜厚度只有微米级。无充放大电流时，介质氧化薄相当稳定，微观其离子排列不规则、无序的，称作无定形结构。目测呈现的颜色是五彩干涉色。当无定形结构向定形结构逐步转化，逐步变为有序排列，称之微“晶化” ，目测呈现的颜色不再是五彩干涉色，而是无光泽、较暗的颜色。Ta2O5介质氧化薄膜的“晶化”疏散的结构导致钽电容器性能恶化直至击穿失效。为解决“热致失效”问题。应用方在线路上入手，采取限流措施，增加固钽线路
34、中的回路电阻。笔者见到有文献报道： “如果应用线路中的串联电阻从3W 下降到 0.1W ，则其可靠会降低一个数量级以上。”即固钽的可靠性下降十倍!在固钽线路中，增加串联电阻，达以1W1V。所以为提高固钽可靠性，必须采取电压降额使用! 一般高可靠线路中固钽电压降额50%使用，其工作寿命可延长100 倍。四、低阻抗电路使用电压过高导致的失效; 对于钽电容器使用的电路,只有两种 ;有电阻保护的电路和没有电阻保护的低阻抗电路. 对于有电阻保护的电路 ,由于电阻会起到降压和抑制大电流通过的效果,因此 ,使用电压可以达到钽电容器额定电压的60%. 没有电阻保护的电路有两种; 一;前级输入已经经过整流和滤波
35、,输出稳定的充放电电路.在此类电路 ,电容器被当作放电电源来使用,由于输入参数稳定没有浪涌,因此 ,尽管是低阻抗电路,可安全使用的电压仍然可以达到额定电压的50%都可以保证相当高的可靠性. 二;电子整机的电源部分; 电容器并联使用在此类电路, 除了要求对输入的信号进行滤波外,往往同时还兼有按照一定频率和功率进行放电的要求. 因为是电源电路 ,因此 ,此类电路的回路阻抗非常低,以保证电源的输出功率密度足够. 在此类开关电源电路中也叫DC-DC 电路 , 在每次开机和关机的瞬间,电路中会产生一个持续时间小于1 微秒的高强度尖峰脉冲,其脉冲电压值至少可以达到稳定的输入值的3 倍以上 ,电流可以达到稳
36、态值的10 倍以上 ,由于持续时间极短,因此 ,其单位时间内的能量密度非常高, 如果电容器的使用电压偏高,此时实际加在产品上的脉冲电压就会远远超过产品的额定值而被击穿. 因此 ,使用在此类电路中的钽电容器容许的使用电压不能超过额定值的1/3. 如果不分电路的回路阻抗类型,一概降额 50%, 在回路阻抗最低的DC-DC 电路 ,一开机就有可能瞬间出现击穿短路或爆炸现象. 在此类电路中使用的电容器应该降额多少,一定要考虑到电路阻抗值的高低和输入输出功率的大小和电路中存在的交流纹波值的高低.因为电路阻抗高低可以决定开关瞬间浪涌幅度的大小。内阻越低的电路降额幅度就应该越多。对于降额幅度大小,切不可一概
37、而论 . 必须经过精确的可靠性计算来确定降额幅度. 五、使用电压合适,但峰值输出电流过大, 钽电容器在工作时可以安全承受的最大直流电流冲击I,与产品自身等效串联电阻ESR 及额定电压 UR存在如下数学关系; I=UR/1+ESR 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 22 页 - - - - - - - - - 如果一只容量偏低的钽电容器使用在峰值输出电流很大的电路,这只产品就有可能由于电流过载而烧毁.这非常容易理解. 六、钽电容器等效串联电阻ESR 过高和电
38、路中交流纹波过高导致的失效; 当某只ESR 过高的钽电容器使用在存在过高交流纹波的滤波电路,即使是使用电压远低于应该的降额幅度 , 有时候 ,在开机的瞬间仍然会发生突然的击穿现象; 出现此类问题的主要原因是电容器的ESR 和电路中的交流纹波大小严重不匹配. 电容器是极性元气件,在通过交流纹波时会发热,而不同壳号大小的产品能够维持热平衡的容许发热量不同.由于不同容量的产品的ESR 值相差较高 ,因此 ,不同规格的钽电容器能够安全耐受的交流纹波值也相差很大, 因此 ,如果某电路中存在的交流纹波超过使用的电容器可以安全承受的交流纹波值 ,产品就会出现热致击穿的现象.同样,如果电路中的交流纹波一定,而
39、选择的钽电容器的实际ESR 值过高 ,产品也会出现相同的现象. 一般来说 ,在滤波和大功率充放电电路,必须使用ESR 值尽可能低的钽电容器. 对于电路中存在的交流纹波过高而导致的电容器失效问题,很多电路设计师都忽略其危害性或认识不够. 只是简单认定电容器质量存在问题 . 此现象很多 . 七、钽电容器漏电流偏大导致实际耐压不够. 此问题的出现一般都由于钽电容器的实际耐压不够造成.当电容器上长时间施加一定场强时,如果其介质层的绝缘电阻偏低,此时产品的实际漏电流将偏大.而漏电流偏大的产品,实际耐压就会下降. 出现此问题的另外一个原因是关于钽电容器的漏电流标准制定的过于宽松,导致有些根本不具备钽电容器
40、生产能力的公司在生产质量低劣的钽电容器. 普通的室温时漏电流就偏大的产品,如果工作在较高的温度下 ,其漏电流会成指数倍增加,因此其高温下的实际耐压就会大幅度下降. 在使用温度较高时就会非常容易出现击穿现象 . 高温时漏电流变化较小是所有电容器生产商努力的最重要目标之一,因此 ,此指标对可靠性的决定性影响不言而愈 . 如果你选择使用的钽电容器的漏电流偏大,实际上它已经是废品,出问题因此成为必然. 八、钽电容器使用时的生产过程因素导致的失效; 很多用户往往只注意到钽电容器性能的选择和设计,而对于片式钽电容器安装使用时容易出现的问题视而不见 ; 举例如下 ; A, 不使用自动贴装而使用手工焊接, 产
41、品不加预热 ,直接使用温度高于300 度的电烙铁较长时间加热电容器 ,导致电容器性能受到过高温度冲击而失效. B,手工焊接不使用预热台加热,焊接时一出现冷焊和虚焊就反复使用烙铁加热产品. C,使用的烙铁头温度甚至达到500 度. 这样可以焊接很快,但非常容易导致片式元气件失效. 九、 钽电容器实际使用时的可靠性实际上可以通过计算得出来,而我们的很多用户使用时设计余量不够,鲁棒性很差 ,小批实验通过纯属侥幸,在批生产时出现一致性质量问题. 此时 ,问题原因往往简单被推到电容器生产商身上 ,忽略对设计可靠性的查找. 钽电容器使用时的无故障间隔时间MTBF 对于很多用户来讲还是一个陌生的概念 . 很
42、多使用者对可靠性工程认识肤浅.过于重视实验而忽略数学计算. 导致分电路设计可靠性比整机可靠性低 ,因此 ,批量生产时不断出现问题. 不懂得失效是一个概率问题,非简单的个体问题. 实际上钽电容器使用时容易出现的故障原因和现象还很多, 无法在此一一论述. 在实际使用中的经验发现，钽电容失效呈现如下特点： 1. 容值较大的钽电容比容值较小的钽电容更易失效 2. 片状钽电容多发生在固定的部位或固定的电路中。 3. 电源滤波的第一个钽电容更容易失效。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -
43、第 15 页，共 22 页 - - - - - - - - - 4. 在 ICT,FCT 上电瞬间易发生失效。 5. 老化过程中钽电容最容易失效。 6 散热较差区域易发生失效。 7. 浪涌下易发生失效。分析钽电容如上特点，无外乎就是容值，温度，浪涌等几个方面引起，所以我们在应用过程中需综合考量各种因素。五. 设计，保存，焊接注意事项由于钽电容失效易起火，爆炸，所以在设计，保存，焊接过程中应注意如下关注点: 5.1.设计注意点5.1.1.电压 1. 电压主要通过电场的形式施加给钽电容使电容局部击穿而失效，用在开关电源中电压至少降额为1/3额定电压值 ( 美军标规定不允许在电源滤波器中中使用固体钽
44、电容），其他使用应降2/3 电压，对我司应用建议电压至少降额至50% 以下甚至 1/3 。 2. 直流偏压和交流分压峰值之和不能超过额定电压值。 3. 交流负峰值和直流偏压不能超过电容器允许的反向电压。 4.15V 以上直流电压滤波不建议采用钽电容，特别在上下电较快的输入口处；低压但上下电较快的场合需要采取缓启动电路或尽量不采用固体钽电容。5. 在应用中尽量不用万用表进行不分极性的电阻量测。 6. 当几个钽电容并联使用时候，建议Layout 时把小容量电容放在前一级，容量大的放在后一级。5.1.2.电流 1. 纹波电流通过钽电容ESR产生有功功耗，进而导致电容器自身温度升高，导致热击穿失效，因
45、此需要对通过电容器的纹波电流引起的功率损耗进行限制（钽电容器不应长期使用于交流分量大或纯交流电路中）。 2. 钽电容器在电路中，应控制瞬间大电流对电容器的冲击（国军标和供应商一般建议串联R3/V 的电阻以缓解这种冲击，以限制电流在300mA以下；当串联电阻小于3/V 时，则应考虑进一步的降额设计，否则产品可靠性将相应降低，如果将电路电阻从3/V 降到0.1 /V ，则失效率提高约10 倍），当电容器用于滤波电路时，降额系数至少应为0.5 ），低阻抗电路应为1/3 。 3. 固体钽电容一般不耐大的电流冲击，容易在氧化膜的薄弱区域发热促使氧化膜晶化提早发生，并降低耐压能力，所以为提高使用寿命，电容
46、器应避免发生频繁的充、放电。5.1.3.热设计 & 功耗考虑1. 钽电容应尽量远离热源，比如变压器盘，电池下面等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 22 页 - - - - - - - - - 2. 应了解各种壳号的钽电容的功率损耗和降额系数，尽量减少热失效的几率。5.2.组装，焊接 &清洗 1. 施加在电容工作端的压力不超过4.9N（工作端直径为1.5mm)，时间不超过5S。 2. 任何型号的电容器重复焊接不能超过2 次。 3. 在第一次焊接完成2H后才
47、能进行第二次焊接，且第二次焊接完成后立即进行清洗 4. 无论是手工焊还是再流焊，都应避免使用活性高、酸性强的助焊剂，以免清洗不干净后渗透、腐蚀和扩散，进而影响其可靠性。 5. 不得使用高活性溶剂，建议使用异丙醇溶剂进行清洗，但时间应不超过5 分钟。 6. 不建议用超声波清洗，如确需要，则建议条件为48KHZ/40 度/5 分钟，振动输出 0.02W/cm3已安装电容器不得与任何清洗器具相接触，也不得用刷子之类的的工具戳洗电容器。5.3.保存 1. 请在常温常湿环境（温度要求在35 度以下 ) 下保存。 2. 避免日光照射，避免受过大的振动和冲击。3. 电容保存期超过两年需重新进行老化并测试电性
48、参数。六、钽电解电容器应用指南选择和使用钽电解电容器需要注意哪些方面1、选择考虑因素设计师针对某个特定用途在选择电容器类型时，必须考虑众多因素。选择时，一般优先考虑应用需求的最重要特性，然后选择和协调其他特性。几个最重要因素如下，并给出列为最重要因素的原因。 1.1 温度温度影响： A）电容量：介电常数的变化引起、导体面积或间距变化引起 B）漏电流: 通过阻抗变化影响名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 22 页 - - - - - - - - - C）高温击
49、穿电压和频率: 对发热的影响 D）额定电流: 当发热产生影响时 E）电解液从密封处泄漏 1.2 湿度湿度影响：A）漏电流B）击穿电压 C ）对功率因数或品质因数的影响 1.3 低气压低气压影响：A）击穿电压 B ）电解液从密封处泄漏 1.4 外加电压外加电压影响：A）漏电流 B ）发热及伴随的影响 C ）介质击穿：频率影响 D ）电晕 E ）对外壳或底座的绝缘 1.5 振动振动影响：A）机械振动引起的电容量变化 B) 电容器芯子、引出端或外壳发机械变形 1.6 电流电流影响：A）对电容器的内部升温和寿命的影响 B ）导体某发热点的载流能力1.7 寿命所有环境和电路条件对其都有影响。1.8 稳定
50、性所有环境和电路条件对其都有影响。1.9 恢复性能电容量变化后，能否恢复到初始条件。 1.10 尺寸、体积和安装方法在机械应力下，当产品安装固定不当时，容易导致引线承受较大应力或共振，严重时会产生引线断裂待现象。2 、在选择和使用电容器时应考虑下列内容： A）电路设计者为了设计出能在要求的时间内满意工作的电路，所使用的电容量允许偏差必须考虑：符合规范规定的允许偏差：电容量- 温度特性变化；恢复特性；电容量- 频率特性介质吸收；电容量与压力、振动和冲击的关系；电容量在电路中的老化和贮存条件。 B）需考虑电容器引出端和外壳之间的电容量，如果此电容量会产生杂散电容和漏电流。名师资料总结 - - -精