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固体片式钽电容器在不同类型电路中的降额设计与可靠性

作者:Admin 发布时间:2019-08-24 22:37:08
  一;引言;

  片式钽是一种性能优良的新式钽电容器,但它的高可靠性只有在合适的使用条件下才可以得到体现.在经常出现的微电子道路故障中,由于使用电压与电路信号特点不匹配而造成的击穿失效占70%以上.另外30%的故障是由电容器本身的质量问题引起的.本文试通过对电容器工作和失效原因与机理的分析,结合实际失效案例,对片式钽电容器的使用中的可靠性提出解决方案。

  二;正文

  对于片式钽电容器而言,使用的电路根据信号特点可以分为如下两类;

  1.脉冲充放电电路;

  钽电容器在此类电路中的用处主要是充放电,作为次级或再次级的瞬间供电电源,为后续电路中需要的瞬间大功率输出提供一定频率的瞬间能量供给.由于电路板的面积和安装密度要求。由于此类电路存在连续不断的大功率输入和输出,因此,使用在此类电路中的钽电容器必须具备以下特点;

  (1),尽可能低的漏电流;漏电流是钽电容器耐受电压能力高低的一个最主要参数,由于此类电路的存在不断产生的浪涌电压,因此,耐压不够[漏电流大大]的钽电容器将不能承受较高的浪涌电压冲击,如果钽电容器本身的漏电流偏大,产品将非常容易被浪涌击穿而失效爆炸.更重要的是非常容易引发二次击穿和电路板起火.

  (2),尽可能低的等效串联电阻ESR;ESR是表征钽电容器本身电阻高低的一个最主要参数,如果ESR较高,产品在通过较大的浪涌电流时产品本身会发热超过散热能力,导致产品在使用一段时间或使用环境温度较高时出现热击穿.同时,ESR较高的产品在工作频率较高时会导致产品容量下降幅度超过容许值,会导致瞬间输出的功率密度不够,输出波形不能满足要求.

  2.滤波电路;

  由于钽电容器的体积容量密度较高,因此,也可以使用在微电子电路中作滤波用,经过钽电容器滤波后,前级输入的电路中的交流波幅将下降明显,达到电路信号波幅的设计要求.此类电路也叫DC-DC电路,也叫低阻抗电路或开关电源电路,实际上它们的电压和电流信号特点都一样;在每次开关的瞬间都会产生很高的电压和电流浪涌.有时候,在此类电路中钽电容器还兼有储能充放电的作用.

  由于钽电容器的体积容量密度较高,因此,也可以使用在微电子电路中作滤波用,经过钽电容器滤波后,前级输入的电路中的交流波幅将下降明显,达到电路信号波幅的设计要求.此类电路也叫DC-DC电路,也叫低阻抗电路或开关电源电路,实际上它们的电压和电流信号特点都一样;在每次开关的瞬间都会产生很高的电压和电流浪涌.有时候,在此类电路中钽电容器还兼有储能充放电的作用.

  简单归纳;无论是用来充放电还是滤波,电路可以可以简单分为两类;低阻抗电路和高阻抗电路。在实际应用中,95%以上的电路都属于低阻抗电路,由于低阻抗电路在工作的开关机瞬间由于场效应现象会产生一个纳秒级的高能量密度浪涌脉冲,如下图所示;

  因此,如果钽电容器使用在此类电路中的降额不够,就有可能出现瞬间过压过流而导致的击穿现象发生。

  固体钽电容器的阴极有两种;一类是电子电导型的二氧化锰半导体,它是通过将硝酸锰在150-400℃的高温下分解为二氧化锰实现的。把已经形成电介质层的“钽块”浸入硝酸锰水溶液中,然后在大约250℃的加热炉中热分解,把生成的二氧化锰涂层沉积到电容器的电介质层上成为电容器的阴极。化学方程式如下:

  Mn(NO3)2→MnO2+2NO2-

  此过程通过变化硝酸锰的不同浓度和分解速度及压力,重复多次后,在“钽块”的内部和外部建立一定厚度的二氧化锰涂层。然后将“钽块”浸入石墨和银浆中,通过在阴极表面沉积一层导电性良好的碳层来使之与二氧化锰阴极有良好的接触。然后在碳上涂上导电材料银过渡层,使之容易与阴极端电极连接。最后进行阻燃性的环氧树脂包封来满足各种规范和客户的要求。片式钽电容器的内部结构见如下解剖图;

  值得特别注意的是,二氧化锰作阴极的固体钽电容器能够承受瞬间的尖峰浪涌电压和电流的能力是有限的,这与其电解质是固态的氧化物有直接关系;当单位时间内高功率密度的尖峰浪涌产生时,其电介质层的晶体会出现压电效应,微量的晶体物理位移会导致电解质和电介质间出现硬的挤压效应,从而造成电介质层的绝缘系数降低,从而漏电流变大,甚至突然失效。因此,对使用在此类电路里的此类片式钽电容器,必须降额到1/3额定电压下使用。

  高分子作阴极的固体钽电容器则不存在上述问题;因为高分子钽电容器的阴极是接近凝胶态的导电有机物,其柔软的特性保证在电介质晶体因为突然的浪涌造成的晶体位移时,不会产生硬的破坏性挤压效应。同时,由于高分子有机物的分子量很大,分子链很长,因此,它甚至可以保证在破坏已经产生时,把空气中的氧和容易氧化的钽金属隔开,阻止了钽金属在较高的漏电流通过时产生过于猛烈的氧化反应。这样,高分子钽电容器就具有了非凡的抗直流浪涌能力和失效时不燃烧爆炸的安全特性。由于其电介质层对浪涌产生的电场冲击呈现出钝感的特性,因此,使用在类似存在高浪涌情况的电路里,电压只降额10-20%就可以保证很高的可靠性。

  防止浪涌失效,很重要的是保证加在电容器两端的电压一定不能超过规定的额定电压。二氧化锰半导体层作为阴极的固体钽电容器有“自愈”能力,但是在低阻抗应用中它是有限的,电容器仍有可能被浪涌电流和电压击穿。因此,采用合适的降额电压可以大幅度增加元件的可靠性。

  能够导致钽电容器发生断路的故障原因如下;

  1.工作电压降额不够;使用在存在瞬间大电压大电流脉冲的开关电源电路,二氧化锰作阴极的钽电容器必须降额到1/3额定电压下使用,高分子阴极的钽电容器和氧化铌电容器才可以只降额到额定电压80%下使用。

  2.电容器容量与输入输出电流不匹配,导致输入或输出电流过载。

  3.电容器类型和阻抗等级选择不合适,交流纹波过高导致热击穿。

  4.工作温度超过容许值时没有使用更大的降额。

  5.不合适的焊接方法导致电容器性能受到破坏。

  6.错误的测试方法导致元件性能受损,例如短时间的极性反。

  二氧化锰钽电容器在短路时会发热、并可能爆炸和燃烧。这取决于于瞬间通过电流的大小、通过时间等因素。因此,当设计电路时,应该依据不同阴极类型的钽电容器的不同要求,提供尽可能多的降额余地,可以保持钽电容器的可靠性达到设计要求或更高。

  钽电容器使用电压与额定电压及电路阻抗关系见下图;

  上图中推荐的不同电路应用的降额幅度只适合于阴极为二氧化锰的片式钽电容器,对于高分子片式钽电容器,即使是低阻抗的滤波电路,仍然只需要降额20%就可以保证足够的可靠性。

  从以上分析看,片式钽电容器的使用可靠性与电容器的降额幅度关系非常大,当降额幅度不够是电容器就非常容易出现击穿失效。

  我们看看在电容器浪涌产生的瞬间电容器内部到底出现了什么问题?

  在低阻抗电路,浪涌电流大小的计算可以见上式。

  钽电容器能够储能和滤波是因为其无定形的介质层具有阻止直流电通过,容许交流电通过的基本特性。但是,它的这种特性是在通电后,介质层两端的不同电荷彻底完成极化后才出现。在极化完成之前电容器的介质层不具有介电性能。此特点是电解电容器与二极管最根本的区别。只有在电容器的极化完成后它才具有能量储存的性能。也可以这样理解;在电容器完成极化前,电容器只是一个网络组织非常复杂的具有电阻的导体。

  在开关电源电路,接触的瞬间,浪涌产生的时间极短,而且电流非常大。在浪涌产生时,电容器的介质层两端的极化还没有完成,因此,当浪涌电流通过电容器时,还电容器相当于一个导体或者网络电阻。电容器的阻直流通交流特性必须发生在介质层两端不同电荷彻底完成极化分布后才开始呈现出来。而极化过程又受到电容量大小的影响;容量越低的电容器极化完成的越快,容量越大的产品极化完成的越慢。既dv/dt值的变化与产品的容量有直接关系。对于容量大的产品,需要更长的极化完成时间。在极化完成前,作为介电层的五氧化二钽无定形晶体并不具有二极管PN结那样的固有单向导通能力,大的电流可以瞬间通过。随极化完成,通过的电流才逐渐被阻止,产生电压降,电容器特性呈现。由于电流的产生要比电压的产生先一个相位角,而且浪涌电流的形成几乎是在瞬间产生,而且持续时间远小于电容器的极化时间,因此,当浪涌电流通过电容器时,此时的电容器还未呈现出电容特征,它此时实际上相当于一个由无数个具有内阻并联而成的网络状电阻导体。根据焦耳-楞次定律,具有电阻的导体在通过电流时会产生热量,热量PMAX的大小与电流的平方成正比,与电阻的大小成正比,见下式;

  PMAX=电流平方×R

  从上式可以看出,当R一定时,如果电流值较大,电容器上瞬间产生的热量将指数倍地增加。由于同时介质层上产生的电应力也可以导致微观上五氧化二钽晶体的微量位移,因此,这一突然产生的能量集中而产生的冲击就非常猛烈,完全有可能导致介质层因为高场强和高热量而破坏。

  当这个持续时间极段短的大电流通过电容器时,我们看看电容器内部都发生了什么现象?

  电容器的阳极基体由无数个纯钽粉粒子互相连接组成。一样可以在其表面形成五氧化二钽的纯钽丝是其正极引出线。在介质层形成后,它实际上已经成为一个能够储能的电容器,在使用化学分解在介质层上形成电子点导型的二氧化锰后,它就成为固体电容器。当极化完成前,由纯金属钽颗粒并联组成的的电容器从电学特性上讲相当于一个由无数个小电容并联而成的网络电阻,如下图示;

  上图可演化成如下的电路类型;

  钽电容器等效串联电阻RESR的构成

  RESR=RMnO2+Rta+RTa2O5≈RMnO2

  RMnO2;二氧化锰的电阻

  Rta;钽金属的电阻

  RTa2O5;五氧化二钽介质层的电阻

  在浪涌电流通过时,由于极化还未完成,因此,电容器此时只是相当于由无数个小电阻并联成的大电阻,其总电阻ESR=1/R1+R2+R3+R4+Rn,其总容量=C1+C2+C3+C4+Cn.每一个粒子及其颗粒间的纯钽金属连接通道就相当于一个R1或R2,直至Rn.如果R1=R2=R3=R4=Rn,根据并联电路的电流变化关系,总电流会被均匀分流,流过每一个粒子及粒子间通道的电流都一样大,而实际上,上述描述只是一个简单的数学模型,只是一个理想的电连接结构。由于电容器使用的钽粉是由不同粒子半径组成的钽粉颗粒构成,因此,必然存在通道直径和孔隙不一样大的部位。根据电流通过导体的趋附效应;导体上流过的电流大小与孔径的平方成正比,与导体中心半径的平方成正比,因此,在通道直径较大的地方,也就是通道电阻较大的地方,由于电阻随通道直径的截面积减小而增加,此处产生的热量将非常高。此处的介质层上因此产生的场强和热量将远高于其它部位,极短时间内的高场强和高温,瞬间就可以使此处的介质层击穿并在极短时间内产生大量热量,最后引发连锁反应,产品发热而爆炸。

  浪涌失效的产品,不一定就是该产品的漏电流大而失效,但一定是该只产品的电连接结构存在电阻过高的部位和场强集中的部位。因此,浪涌失效很难预防,而且存在随机性。

  避免浪涌失效的方法如下;

  首先,产品的阳极设计必须合理,产品任何部位不能存在突出的部分,同时,产品内部不能存在过大的孔隙。钽粉粒子间的连接截面积必须足够,不能存在粒子间通道截面积过小的状态。这一点对于中高压产品尤其重要。

  第二,所有的产品在包装前都必须经过浪涌测试;

  测试电流可以通过该产品的额定电压和ESR值标准进行计算。测试电压一般为额定电压。

  第三,在设计电路降额时,必须根据钽电容器的类型给与足够的降额幅度。一般情况下,如果使用抗浪涌能力较差的CAK45二氧化锰作阴极的片式钽电容器时,工作电压=额定电压的1/3最好。如果电路工作电压平稳,无明显的开关脉冲浪涌,绝对不容许超过额定电压的1/2.

  如果是使用高分子作阴极的CAK55片式钽电容器,只需要保证工作电压不超过额定电压的80%就可以保证足够的可靠性。

  通过以上分析,我们可以总结出这样的规律;

  片式钽电容器的使用可靠性不光与钽电容器本身的性能关系很大,也与合理的使用条件设计存在非常严密的关系。合适的降额幅度对电容器的可靠性甚至存在更致命的影响。

  为了保证片式钽电容器的可靠性,使用在不同电路类型的片式钽电容器还必须注意如下内容;

  一,滤波电路中使用的片式钽电容器的性能选择;

  滤波电路是片式钽和氧化铌电容器最常用电路,电容器使用在此类电路中的作用主要是为了过滤掉直流信号中的交流杂波.由于电路中可能存在的交流纹波杂波的频率不同,不同阻抗等级的电容器只能适合于不同的纹波频率滤波要求,因此,为了保证较好的滤波效果,一定要根据电容器容量和频率及阻抗大小来选择电容器种类和电容器阻抗值的高低.

  电容器的阻抗ESR和容量C及测试或滤波频率f之间的关系见下式;

  ESR=tgδ/2πfC

  这里:f是频率,单位是Hz,,C是电容器的容量,单位为法拉。ESR测试条件是:20℃和100KHz.

  tgδ是电容器的损耗,单位是%,是指电容器的无功功率和总输入功率的比值.

  ESR是阻抗的成分之一,在高频时(100KHz和以上),它成为支配因素,因此ESR和阻抗在低频时几乎变成同一回事,阻抗只是在测试频率的两个极限边缘处上稍高。ESR的高低实际上可以衡量电容器的高频特性如何.ESR低的产品可以保证电容器在频率较高时仍然具有合适的滤波效果.而ESR偏大的产品,如果使用在滤波电路,会由于阻抗在高频下向感抗转化而导致容量下降幅度变大,因此,滤波效果将变差,即使经过滤波电容器,直流信号中的交流纹波信号波幅将仍然偏大.

  因此,使用在滤波电路中的电容器,必须尽可能具有更低的阻抗ESR才能保证较好的滤波效果.

  另外,由于不同阻抗的电容器只能过滤掉不同频率的交流纹波,因此,在选择电容器类型和阻抗高低时,设计师必须首先知道电路中需要过滤掉的交流纹波的频率到底是多少,这样,就可以通过上面的公式计算出应该使用的电容器的阻抗等级高低.不能只是通过实验才能知道选择的电容器容量及ESR和种类是否合适.

  一般来讲,ESR低的产品的滤波特性将更好是一个普遍原则,但很多使用者了解不够的是ESR还对电容器的工作可靠性影响很大;这是因为ESR偏高的产品在通过的交流纹波较高时产品会发热,如果ESR过大,电路中的交流纹波又偏高,那么就有可能出现热击穿现象.

  值得非常注意的是,由于滤波电路肯定都是阻抗很低的开关电源电路,因此,在每次开关机时,电路中必然存在一个持续时间达到纳秒级的大电流高电压脉冲,此脉冲对电路中的元件的可靠性破坏性巨大,尤其是会导致电容器瞬间过压过流而突然击穿;导致根本不能承受大电流和高电压的大规模集成电路瞬间烧毁,因此,在电路设计时,必须采用保护性设计。同时使用电压与额定电压的比值大小很关键。

  为了保证滤波电路中的电容器阻抗选择合适,具有较好的滤波效果的同时还具有更高的可靠性,电路设计师必须对上面的分析认真理解.

  二.脉冲充放电电路中片式钽电容器的性能选择;

  脉冲充放电电路使用的片式钽电容器,一般都是用来作为电路的二级或次级瞬时电源,通过一定频率的突然放电为后续功率性元件提供高功率密度的能量.此类电路中使用的电容器一般都具有较大的容量和较高的额定电压.

  由于电容器在瞬间通过大电流时自有阻抗会导致电容器发热,因此,不同阻抗的电容器可以安全承受的直流浪涌电流见下式;

  I=UR/1+ESR

  这里的UR就是该电容器的额定电压,数字1是指放电回路的电路电阻.

  ESR就是电容器的等效串联电阻.

  从上式中可以看出,如果电容器的ESR更低,将可以承受更高的直流浪涌电流冲击.可靠性因此也将更高.

  另外,电路设计时还需要了解不同电路功率密度要求和电容器工作电压及容量之间的数学关系;如果选择的电容器容量过低,而需要瞬态输出的功率密度较大,很容易导致电容器过载,也有可能出现功率过载而烧毁。

  使用电容器作为断电保护,必须先通过如下计算选择容量合适的电容器才可以保证可靠性不受过载影响。

  如果电路正常工作时的输入功率为P,储能电容的容量为C,其两端的电压为U1,则电容储存的能量为

  W1=C(U12)/2,

  当输入电源掉电后,经过时间t,电容两端的电压为U2,此时电容剩余的能量为

  W2=C(U22)/2,

  在这一过程中储能电容释放的能量

  W=W1-W2=C(U12-U22)/2,

  它应该等于电路维持正常工作所需的能量

  由于W=Pt,(即输入功率乘以时间)

  所以有;

  C(U12-U22)/2=Pt,

  由此就可以得到电路维持时间t所需的最小电容量为

  C=2Pt/(U12-U22).

  在实际应用中,U2是电路能够正常工作的最低输入电压.

  举例:

  若电路正常工作时的输入电压为28V(U1),输入功率为30W(P),能够正常工作的最低输入电压为18V(U2),要求输入电源掉电50毫秒(t)时电路仍然能够工作,则所需储能电容的最小的电容量为

  C=2Pt/(U12-U22)

  =2*30*50/(282-182)

  =3000/(784-324)

  =6.522mF=6522mF

  一个使用在电源电路前端的储能电容器,输入电压是50V,当短电后,电容器开始为后续电路提供能量,在提供能量75W时,必须保持电压不低于18V,请计算需要的电容量。

  此电路还需要一个准确的回路电阻。回路电阻大小决定需要的电容器的容量大小。

  此充放电电路中各参数性能的换算公式如下;

  C=R*PT*T/U1-U2

  式中;

  C;需要的电容量

  R;回路总电阻

  PT;回路需要保持的功率

  T;回路功率保持时间

  U1;输入电压

  U2;能够保持一定功率和放电时间的电压

  使用在脉冲充放电电路中的电容器,对可靠性影响有决定性影响的还有电容器的实际耐压.由于各家公司生产的相同规格的片式钽电容器的实际耐压相差较大,因此,质量较差的公司从来都不敢告诉用户使用在此类电路中的电容器对可靠性影响较大的漏电流应该控制到什么水平.这样,很多实际质量很差的电容器就稀里糊涂被很多用户使用,由于实际耐压根本不够的电容器就不断出现失效问题.

  钽电容器的实际漏电流和实际耐压及介质层绝缘之间存在如下关系;

  I=U/R

  此式现在并不能等同于欧姆定律来简单理解.它只能这样理解;当电容器的漏电流较大时,其实际耐压就会下降.绝缘电阻也会下降.

  换句话说;实际漏电流更小的电容器的实际耐压将更高,因此,电容器的可靠性将更高.特别是钽电容器的高温状态下的漏电流大小将对电容器使用在大功率放电电路中的可靠性有决定性的影响.

  此点非常重要.

  作为使用者必须清楚地明白此点并选择实际漏电流最小的片式钽电容器才能保证可靠性达到要求.此方面的问题也必须引起设计选型者的特别注意。

  综上所述,片式钽电容器使用时的可靠性不光与其基本电性能有直接关系还与设计时的可靠性设计关系很大。作为科研生产院所的电路设计者,在使用钽电容器时,还必须注意一下与可靠性直接相关的如下设计才能保证自己设计生产的装备的可靠性达到军方的要求;

  1.整机系统可靠性和子系统的可靠性计算[基础]

  不同种类的电子整机的可靠性设计因为用途而差别很大,例如个人用的IT产品,一般可以保证在3年内不出现大的问题,质量反映较好的N0KIA个人产品,实际上是由于可靠性标准就制定的较高,所以才会出现比较耐用的印象.而军用的电子设备,由于工作环境的变化范围很大,因此,在设计可靠性时,必须考虑鲁棒性[即应付意外条件变化的能力]如何.因此,不同用途的电子产品的可靠性设计取决于它的使用条件和使用环境限制.我们不能要求把一个工作在室内的个人IT产品的可靠性等级提高到几十年,这是一种浪费.同样,你不能把武器的可靠性设计到个人用IT产品的水平.这是犯罪.但是,一部电子设备的可靠性首先是设计出来的,绝不是简单生产决定的.因此,整机的可靠性设计,必须有明确的可以量化的足够完善的参数指标.具体的标准实际上是各家公司或用户的协议指标.基本没有可以遵循的固定值.

  但是,电子整机的可靠性是建立在电路设计可靠性和过程控制水平之上的.因此,整机的可靠性又可以分解为许多个具体的标准.

  对于使用钽电容器的电子整机,由于其元件的可靠性是可以计算出来的,因此,分电路的可靠性就可以计算出来.值得注意的是,整机的可靠性必须以可靠性最低的电路或元件的可靠性为基准.整机的可靠性如果可以事先量化,那么就可以通过适当的计算来提高可靠性最低的部分的可靠性设计等级.

  2.不同使用温度下的可靠性计算.

  由于钽电容器漏电流随温度的增加而增加,随漏电流增大,其可靠性会随之下降。因此,,如果工作在85℃和125℃之间,最大工作电压Vmax必须降额,合适的降额幅度可以从下面的公式中求得:

  Vmax=(1-(T-85)/125)×VR

  这里:T是要求的工作温度

  VR是额定电压

  3.不同使用电压下的可靠性计算.

  由于固体钽电容器的可靠性受环境条件的影响很大。例如:温度、湿度、冲击、振动、机械应力和电场强度,包括应用电压、波纹电流、瞬间电流和电压以及频率。因此,设计前必须充分了解元件的性能特点和与可靠性有关系的参数计算,提前对可靠性不利的因素都考虑在先,保证设计可靠性足够。

  电子整机的可靠性是建立在电子元件的更高可靠性基础之上,因此,在使用选型前必须保证使用的元件的故障率高于整机故障率要求,固体钽电容器的现场故障率[MTBF]可以从下面的表达式中计算出来:

  MTBF=λ0(V/V0)3×2(T-T0)/10

  MTBF:实际工作条件下的故障率

  最高容许使用温度T:85度

  V:实际使用电压

  λ0:额定负载下的故障率(1%/1000h)

  T0:实际使用温度

  V0:额定电压

  测试条件:

  温度:85℃

  电压:额定电压

  Rs:3Ω[要求的线路保护电阻]

  上式说明在实际使用中过高的温度和使用电压对产品的可靠性影响非常大。在最高使用温度和工作电压限定的条件下,应该尽可能选择额定电压更高的产品故障率才可以达到要求。