影響非固體電解質(zhì)鉭電容器漏電流變大的因素

引言

鉭電解電容器因其容量大、體積小、電性能優(yōu)良、工作 溫度范圍寬、可靠性高，在通信、航天等領(lǐng)域被廣泛選用。 在筆者去年生產(chǎn)的產(chǎn)品中連續(xù)出現(xiàn)兩例CA35型非固體電解質(zhì) 鉭電容器失效現(xiàn)象，失效模式為漏電流超標(biāo)，要求漏電流小 于1 uA,實際測量達到28 uA,影響產(chǎn)品整機性能。為搞清 楚電容器漏電流超標(biāo)的原因，筆者走訪電容器生產(chǎn)廠家，查 閱大量資料，了解了電容器生產(chǎn)過程控制及電容器在使用中 注意事項，現(xiàn)將其整理，以供遇到類似問題的技術(shù)人員參考。

1非固體鉭電解質(zhì)電容器的制造工藝過程

非固體鉭電解質(zhì)電容器的主要的生產(chǎn)工藝過程包括成型、 燒結(jié)、形成、裝配、老化五個過程。電容器按陽極設(shè)計要求, 將鉭粉壓制成型，并插入鉭絲作為陽極引出的過程為成型。在 高溫高真空條件下，獲得具有合適空隙度的高純鉭塊的過程為 燒結(jié)，燒結(jié)后如圖1所示。

用電化學(xué)方法在鉭陽極表面生成一層氧化膜，作為電容 器的介質(zhì)的過程是形成。形成后如圖2所示。

將非固體電解質(zhì)鉭電容器采用銀或鉭外殼封裝，殼內(nèi)灌 注電解液（電解質(zhì)）作為電容器的陰極的過程稱為裝配。對電 容器100%高溫電老化，修復(fù)氧化膜，使電容器的性能趨于穩(wěn) 定，剔除早期失效產(chǎn)品，提高電容器的可靠性的過程為老化 過程。

由電容器的制造工藝不難看出，電容器是由陽極（鉭絲）、介質(zhì)（氧化膜）、陰極（電解液）組成。

2工作介質(zhì)對漏電流的影響

非固體電解質(zhì)鉭電容器的工作介質(zhì)為在鉭塊表面用電化 學(xué)方法生成的一層氧化膜Ta2O5, Ta2O5氧化膜系無定形結(jié)構(gòu), 它的離子呈不規(guī)則無序排列。理想中的電容器介質(zhì)應(yīng)是完美 無缺的薄膜，其厚度以納米計，僅有幾十至幾百納米，它的絕 緣電阻可達幾百兆歐以上，氧化膜越厚，其耐壓也越高。而實 際上Ta,。,表面存在各種微小的疵點、空洞以及隙縫之類的缺 陷，漏電流就是通過這些缺陷的雜質(zhì)離子電流和電子電流所 組成。正常情況下，漏電流值很小，但是如果電流較大，在試 驗的高應(yīng)力下，電應(yīng)力集中，電流密度大，使疵點周圍的氧化 膜“晶化”，擴大了疵點面積，介質(zhì)質(zhì)量進一步惡化，絕緣電 阻下降，漏電流急劇增加。

3影響氧化膜質(zhì)量的因素

造成非固體電解質(zhì)鉭電容器漏電流的根本原因是陽極氧 化膜出現(xiàn)缺陷，絕緣電阻下降所致，因此要控制漏電流，必 須對影響氧化膜絕緣性的各種因素進行控制，影響鉭電容器氧 化膜絕緣性的因素主要有三個方面，一是制造電容器材料一一 鉭粉、鉭絲質(zhì)量的影響；二是電容器制造的工藝影響；三是 使用的影響。

3.1鉭粉、鉭絲的影響

鉭粉、鉭絲的化學(xué)性能、物理性能、雜質(zhì)含量、鉭粉的 顆粒形狀、大小，擊穿電壓，都直接影響鉭電容器的質(zhì)量。鉭粉、 鉭絲中的雜質(zhì)含量對形成氧化膜的質(zhì)量有很大的影響。鉭電 容器的陽極芯子在成型時要經(jīng)過1 500?2 050 °C的高溫高真 空的燒結(jié)，燒結(jié)的目的之一就是去掉鉭粉、鉭絲中的雜質(zhì)，而 那些難熔的雜質(zhì)，如鎢、鑰、硅、鐵、銅等，在燒結(jié)時難以 完全去除，在形成氧化膜時成為疵點的“晶核”，成為導(dǎo)電通 道。所以，對鉭粉的雜質(zhì)含量要求極為嚴格，一般要求小于 10?50 PPM。鉭粉有很多種規(guī)格，是根據(jù)電容器的工作電壓， 分為高壓粉、中壓粉、低壓粉，各種粉的比容、物理性能、擊

穿電壓都有區(qū)別，在生產(chǎn)電容器時，必須根據(jù)電容器的規(guī)格, 合理、恰當(dāng)選用鉭粉，才能確保電容器的質(zhì)量。

3.2電容器制造工藝的影響

鉭電容器的生產(chǎn)工藝也直接影響鉭電容器的性能，尤其 是以下三個關(guān)鍵工序?qū)⒅苯佑绊戙g電容器的漏電流。

燒結(jié)工序，是將鉭粉成型并進行高溫真空燒結(jié)，目的是 成型和提純，要通過1 500?2 050。。高真空燒結(jié)，去除雜質(zhì), 達到提純的目的。如果提純效果不佳，殘留的雜質(zhì)在鉭陽極 芯子中，將成為介質(zhì)膜中的“晶核”，是造成漏電流的隱患。

形成工序，是將鉭陽極放在電解液中，施加直流電壓， 電解液中的氧離子和鉭陽極中的鉭形成Ta2O5膜層。在這一工 藝中，形成溫度過高、形成時間過長、升壓電流密度過大、形 成電壓過高都會對介質(zhì)氧化膜產(chǎn)生晶化點。形成工藝結(jié)束后, 要進行形成效果檢驗，特別是電容量和漏電流，必須達到工 藝要求，希望漏電流值越小越好。在形成工藝過程中，如某一 環(huán)節(jié)掌握不好，極易產(chǎn)生“晶化”現(xiàn)象，所以，形成工藝要求 制造完整的介質(zhì)膜層，又不能出現(xiàn)“晶化”現(xiàn)象。

篩選工序，是對鉭電容器的成品采取進一步加嚴檢驗的 工藝，通常采用高、低溫篩選、長時間高溫老練篩選以及X 光透射檢查等。特別注意篩選的溫度及電壓要選擇的適當(dāng)， 太低不能有效剔除缺陷電容器，太高，又會導(dǎo)致本來合格的 產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷而失效被剔除。

3.3電容器使用的影響

電容器的使用主要涉及兩個層面，一是設(shè)計層面，二是 操作層面。

首先從設(shè)計層面考慮以下因素：

電容器要降壓使用。指電容器的實際工作電壓要低于電 容器的額定電壓，電容器長期經(jīng)受較高工作電壓，氧化膜中 不可避免地存在著雜質(zhì)或其它缺陷，當(dāng)這些部位的場強較高, 電流密度較大，導(dǎo)致局部高溫點出現(xiàn)，從而留下誘發(fā)熱致晶 化的隱患。在金屬氧化物界面，由于金屬雜質(zhì)的存在，也可能 誘發(fā)場致晶化，隨著施加電壓的增加，電容器失效概率也增加， 因此為了電容器工作的可靠性及壽命，一般設(shè)計的實際工作至 多為額定電壓的70%。

避免反向電壓。不允許將非固體電解質(zhì)鉭電容器反接在 直流回路或接在純交流回路中。銀外殼的液體鉭電容器CA30、 CA35）加反向電壓會使銀外殼上的銀遷移至陽極，沉積在氧 化膜上，幾時和很低的反向電壓和較低電流密度也能獲得枝 蔓似的銀沉積。而陽極表面沉積的銀將構(gòu)成導(dǎo)電通道，從而

作者簡介：王孝勃，（1976—），男,本科。高工，電裝工藝。 增加漏電流，進而使介質(zhì)被擊穿致電容器失效。鉭外殼的液 體鉭電容器（CA38）可承受3 V反向電壓，因鉭外殼表面能 形成一層很薄的氧化膜，當(dāng)電容器被施加反向電壓時，鉭外殼 上的氧化膜處于正向偏壓狀態(tài)，因此仍可保證產(chǎn)品有較小的漏 電流。但更高的反向電壓仍會將全鉭液體鉭電容器擊穿。

遠離功率發(fā)熱器件。電容器在電路板中布局時應(yīng)遠離功 率發(fā)熱器件。當(dāng)電容器靠近發(fā)熱器件時，電容器長時間工作 溫度升高，氧化膜中的雜質(zhì)離子遷移速度增加，導(dǎo)致漏電流 增大。

鉭電容器在電路中，應(yīng)控制瞬間大電流對電容器的沖擊, 建議串聯(lián)電阻以緩解這種沖擊。請將3 Q/V以上的保護電阻 器串聯(lián)在電容器上，以限制電流在300 mA以下，當(dāng)串聯(lián)電 阻小于3 Q/V時，則應(yīng)考慮進一步的降額設(shè)計，否則產(chǎn)品可 靠性將相應(yīng)降低（如果將電路電阻從3 Q/V降到W 0.1 Q/V, 則失效率提高約10倍）。當(dāng)電容器用于紋波電路時，降額系數(shù) 至少應(yīng)為0.5。選用高頻鉭電容器時，限流串聯(lián)電阻阻值可適 當(dāng)降低（建議R> 3 Q/V）。

從使用操作層面應(yīng)注意以下幾點：

使用烙鐵（30 W以下）時，烙鐵尖端的溫度在350。。以 下，使用時間應(yīng)在3 s以內(nèi)，并注意烙鐵尖不要碰到電容器本 體。焊接溫度過高或焊接時間過長都會導(dǎo)致電容器受熱沖擊, 超過電容器所能承受的最高溫度，電容器內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo) 致氧化膜受損，絕緣性能下降，漏電流增大。

對標(biāo)識不清的電容器嚴禁使用三用表測量。存在對電容 器施加反向電壓的風(fēng)險，請將該電容器報廢。

電容器應(yīng)避免直接接觸水、鹽、油等的環(huán)境。雜質(zhì)離子 將電容器陽極陰線與陰極連同，形成并聯(lián)導(dǎo)電通道，導(dǎo)致漏 電流增大。

4結(jié)語

非固體電解質(zhì)鉭電容器雖然以容量大、體積小、工作可 靠而被廣泛應(yīng)用，但漏電流大的問題也偶爾發(fā)生，一旦發(fā)生會 對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生嚴重影響?？刂坡╇娏骶褪强刂蒲趸さ馁|(zhì) 量,本文分別從電容器制造、選用、使用過程給出了控制的因素, 希望能為遇到此類問題的技術(shù)人員分析解決問題提供幫助。

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