减小液体电解质钽电容器电参数漂移探讨

减小液体电解质钽电容器电参数漂移探讨减小液体电解质钽电容器电参数漂移探讨 王成兴 单位 新云公司五车间 贵阳市 210 信箱 摘要 液体电解质钽电容器 额定电压高低不同其在可靠性试验和使用中的失效模式也不同 探讨中低 压 高压液体电解质钽电容器不同的失效机理 选择杂质含量少的钽粉压制成型电容器阳极 采用提高阳 极钽芯的烧结温度 在电容器工作电解液中加入去极化剂和增加电解液对阳极钽芯浸润的工艺方法 减小 电容器长寿命试验和长期使用后的电参数漂移和击穿失效 关键词 液体电解质钽电容器 电容量 漏电流 失效 可靠性 1 前言 电容器寿命试验后电容器电参数漂移是电容器在额定电压 额定温度下规定时间内 完 成规定功能后电容器的电容量 损耗角正切值 直流漏电流等参数相对于初始测量值的变 化 我国从 80 年代以来 电子产品的可靠性也有了很大提高 但与国际水平相比差距很大 美国 60 年代的元器件失效率已达到 10 8 小时水平 70 年代达到 10 9 10 10 小时水平 而我国的电子元器件的失效率一般在五级和六级水平 电容器电参数漂移是影响电容器可 靠性的重要因素 本文主要对液体电解质钽电容器的寿命试验数据进行统计分析 找出影 响液体电解质钽电容器长寿命试验后电容器电参数漂移问题 并在液体电解质钽电容器的 设计 制造中加以改进 完善 提高液体电解质钽电容器的可靠性水平 2 数据统计 笔者对全密封液体电解质钽电容器的 B2试验组 85 UR10000h 寿命试验 1070 只试 验样品的试验数据进行统计 见表 1 表 1 额定工作电压 UR 样品数 只 失效样品数 只 UR 100V 6655 100V UR 125V40557 表 1 的数据作直方图见图 1 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 数 量 6 7 51 0 0 1 2 5 电 压 8 5 U R 1 0 0 0 0 h 失 效 数 图 1 3 失效模式 3 1 中低压电容器 中低压液体电解质钽电容器是指额定工作电压小于 75 伏的液体电解质钽电容器 从统 计失效样品看 失效模式主要是电容器的电容量减小引起的失效 如表 1 中统计的 5 只失 效样品的失效模式都是电容器在 85 UR10000h 试验后电容量减小 其变化量超过 20 见 表 2 表 2 失效样品数 只 与初始测量值相比电容量变化 5 21 4 27 7 3 2 高压电容器 高压液体电解质钽电容器是指额定工作电压为 100 伏 125 伏的液体电解质钽电容器 从统计的失效样品看 失效模式主要是氧化膜击穿所引起的电容器失效 失效情况见表 3 表 3 失效样品数 只 击穿 只 损耗大 只 电容量减小 只 漏电流大 只 5754111 我们再将击穿失效的电容器按其试验时间进行统计 从中发现电容器击穿的试验时 间主要分布在 4000h 10000h 范围 见表 4 作直方图如图 2 所示 表 4 试验时间 h 1000 20004000 50006000 70008000 90009000 10000 失效数 支 29161116 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 失 效 数 只 1 0 0 0 2 0 0 06 0 0 0 7 0 0 09 0 0 0 1 0 0 0 0 时 间 h 8 5 U R 1 0 0 0 0 h 失 效 数 图 2 4 失效机理分析 4 1 中低压液体电解质钽电容器主要表现为电容量减小的失效模式 其失效原因是电容器 在额定温度 额定电压下长时间工作过程中电容器阳极介质氧化膜的自愈特性会在电容器 内部产生气体 H2 大量的气体会使电容器内部气压增加 内部气压增加后使新产生的气 体无法逸出电解液外面 它仍然保持在介质氧化膜和电解液的界面上 隔绝介质氧化膜与 电解液的有效接触 从而使介质氧化膜的有效表面积减少 有效电容量随之减小 这从我 们对失效电容器样品的解剖后电容量得到恢复的数据可以得到证实 见表 4 表 4 试验前解剖前电容量 F 解剖后放气后电容量 F 1020801 01005 0 987713 6982 0 22081596 42180 0 23151713 02230 0 15031129 01475 0 另一方面 大量的 H 移动到负极得到电子形成较厚的双电层 从液体电解质钽电容器 的结构看 电容器的最后电容量是负极所形成的附加电容量与阳极氧化膜的电容量串联 如果以 C0表示阳极氧化膜电容量 则电容器的最后电容量可以用下式表示 C C0 1 d负 d0 1 式中 d负为负极双电层厚度 d0 为阳极氧化膜厚度 从式 1 中可以看出 电压越低电容器阳极氧化膜越薄 d0 值越小 电容器双电层 厚度对电容器最终电容量的影响越大 电容器的电容量也就越小 4 2 高压电容器的失效机理 液体电解质钽电容器的介质氧化膜是无定型结构的五氧化二钽膜 由于钽粉中或多 或少的存在各种金属杂质 如 Fe Ni Cr 等 这些杂质在阳极氧化膜的形成中将生成氧化 物存留于无定型氧化膜当中 短期内 由于有氧化膜包裹 其仍然具有五氧化二钽膜的单 向导电特性 漏电流很小 但在强电场 高温作用下 经过相当长时间 如 4000 h 以上 疵点处要生成新的结晶物代替其表面的无定型氧化膜 从而产生击穿现象 1 另外 由于有这种疵点存在 该处能量较高 引起电场畸变 形成高场强 加速疵 点晶化 电流集中通过引起局部发热 反过来又加速晶化过程 直至击穿 2 5 措施讨论及试验数据 5 1 在工作电解液中添加去极化剂 减小中低压液体电解质钽电容器长寿命试验后电参数 飘移 中低压液体电解质钽电容器采取在工作电解液中添加去极化剂吸收负极上的电子 阻止 H 在电容器负极上得到电子变成 H2 电容器工作过程中产生的有负面影响的带电粒子的 总电量 可由公式 2 计算得出 q t I t dt 2 式中 q t 电荷量 I t 对电容器介质有影响的部分漏电流 t 寿命时间 从公式 2 中知 加入工作电解液的添加剂必须能完全吸收电容器工作过程中产生的 有不良影响的电荷 减小电容器长寿命试验后的电容量 损耗等电参数漂移 5 2 减小高压液体电解质钽电容器长寿命试验后击穿失效 液体电解质钽电容器长寿命过程中发生击穿失效 主要是电容器阳极钽芯上的介质氧 化膜存在缺陷点引起 通过优选钽粉和提高烧结温度减少钽芯中的金属杂质 选择氧化能 力强 浸润性好的形成液 在形成升过程中根据不同的电压段采取不同的形成电流密度 采用 磷酸水溶液 乙二醇 体系形成液 提高形成液的闪火电压 这样使阳极钽芯表面生 成氧化膜厚度均匀 致密 氧化膜中的疵点少 电容器的漏电流小 可靠性高 5 3 增加阳极钽芯内部微孔的浸润 由于电容器的阳极钽芯是个多空体 工作电解液进入多空体的细小空隙间 一方面扩 大了电容量 但同时也引入了因为这个细小空隙被工作电解液浸润程度的不同而使这部分 附加电容量发生的变化 如果将钽芯粗孔表面氧化膜形成的电容量称为恒定电容量 C1 将多空体的细小空隙 氧化膜形成的电容量称为 C2与之串联的细小孔隙内部电解液电阻为 r2 得到图 3 的等效 电路 图 3 从图 3 的等效电路可以得到总的电容量为 C C1 C2 1 1 2r2 3 由于液体电解质钽电容器因为环境的变化时 电解液的浸润程度将发生变化 C2 也将 跟随变化 增加液体电解质对电容器阳极钽芯的浸润 同时在电容器经受高温长寿命试验 后 电解液仍然保持对阳极钽芯的充分浸润 使 C2的变化达到最小 减小电容器长寿命试 验后的参数漂移 提高液体电解质钽电容器的可靠性 5 4 试验数据 通过以上三个方面的改进后 表 5 统计了不同型号规格的 22 批产品 85 UR10000h 试 验后的电参数漂移情况 试验样品无击穿失效 电容量变化率 11 5 4 3 与改进前 相比减小了 50 试验后电容器损耗和漏电流均远离标准值 电参数的漂移明显减小 统计数据表 5 型号规格 85 UR10000h Ctg I CAK81 10 330 4 3 5 1812 2 22 80 26 1 87 CAK35H 10 470 0 71 1 817 1 20 9 0 46 0 73 CAK35H 10 1000 2 68 5 1828 6 31 1 0 31 0 83 CAK35H 10 3300 0 70 1 542 6 54 1 0 39 0 95 CAK31 15 540 0 12 7 8610 9 12 9 0 38 0 81 CAK31 25 22 2 26 10 02 9 9 2 0 03 0 09 CAK86 25 680 0 48 1 412 7 15 5 1 9 3 8 CAK35 25 1000 1 46 3 5816 6 21 3 1 6 7 6 CAK35 40 220 0 04 2 986 9 8 8 0 54 0 89 CAK35 40 330 0 2 0 829 6 12 4 0 65 0 98 CAK35H 40 1000 9 3 10 515 6 26 4 1 6 1 9 CAK35H 40 1200 7 82 11 517 3 24 3 1 2 3 2 CAK31 50 160 0 53 0 835 2 5 7 0 32 0 91 CAK35H 63 150 1 13 1 975 6 7 2 0 16 0 52 CAK35 63 220 0 22 0 667 3 12 0 98 3 1 CAK35H 63 470 6 8 10 211 1 21 4 0 49 1 3 CAK35 100 100 0 7 2 55 7 7 2 0 9 1 22 CAK35H 100 150 2 16 10 06 0 11 2 2 42 3 82 CAK35 125 15 4 08 8 803 7 6 20 14 0 58 CAK31 125 25 3 99 7 924 7 6 6 0 37 0 91 CAK31 125 56 4 25 5 193 5 5 1 0 41 2 5 CAK35 125 100 2 27 5 395 1 6 6 3 47 6 21 6 结论 通过在工作电解液中添加去极化剂吸收负极上的电子 优选钽粉和提高烧结温度减少钽 芯中的金属杂质 选择氧化能力强 浸润性好的形成液 在形成升过程中根据不同的电压 段采取不同的形成电流密度 采用 磷酸水溶液 乙二醇 体系形成液 提高形成液的闪火 电压 增加液体电