影響非固體電解質鉭電容器漏電流變大的因素

王冰+王孝勃

摘 要：就非固體電解質鉭電容器漏電流超標成因進行分析，分別從電容器制造、使用角度分析了影響漏電流的各種因素。

關鍵詞：非固體電解質鉭電容器;漏電流;氧化膜;電容失效

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2014）12-00-02

0 ?引 ?言

鉭電解電容器因其容量大、體積小、電性能優良、工作溫度范圍寬、可靠性高，在通信、航天等領域被廣泛選用。在筆者去年生產的產品中連續出現兩例CA35型非固體電解質鉭電容器失效現象，失效模式為漏電流超標，要求漏電流小于1 μA，實際測量達到28 μA，影響產品整機性能。為搞清楚電容器漏電流超標的原因，筆者走訪電容器生產廠家，查閱大量資料，了解了電容器生產過程控制及電容器在使用中注意事項，現將其整理，以供遇到類似問題的技術人員參考。

1 ?非固體鉭電解質電容器的制造工藝過程

非固體鉭電解質電容器的主要的生產工藝過程包括成型、燒結、形成、裝配、老化五個過程。電容器按陽極設計要求，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，燒結后如圖1所示。

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

圖1 ?鉭電容燒結后 ? ? ? ?圖2 ?鉭電容形成后

將非固體電解質鉭電容器采用銀或鉭外殼封裝，殼內灌注電解液（電解質）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，修復氧化膜，使電容器的性能趨于穩定，剔除早期失效產品，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（氧化膜）、陰極（電解液）組成。

2 ?工作介質對漏電流的影響

非固體電解質鉭電容器的工作介質為在鉭塊表面用電化學方法生成的一層氧化膜Ta2O5，Ta2O5氧化膜系無定形結構，它的離子呈不規則無序排列。理想中的電容器介質應是完美無缺的薄膜，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Ta2O5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，在試驗的高應力下，電應力集中，電流密度大，使疵點周圍的氧化膜“晶化”，擴大了疵點面積，介質質量進一步惡化，絕緣電阻下降，漏電流急劇增加。

3 ?影響氧化膜質量的因素

造成非固體電解質鉭電容器漏電流的根本原因是陽極氧化膜出現缺陷，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——鉭粉、鉭絲質量的影響;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、鉭絲的化學性能、物理性能、雜質含量、鉭粉的顆粒形狀、大小，擊穿電壓，都直接影響鉭電容器的質量。鉭粉、鉭絲中的雜質含量對形成氧化膜的質量有很大的影響。鉭電容器的陽極芯子在成型時要經過1 500～2 050 ℃的高溫高真空的燒結，燒結的目的之一就是去掉鉭粉、鉭絲中的雜質，而那些難熔的雜質，如鎢、鉬、硅、鐵、銅等，在燒結時難以完全去除，在形成氧化膜時成為疵點的“晶核”，成為導電通道。所以，對鉭粉的雜質含量要求極為嚴格，一般要求小于10～50 PPM。鉭粉有很多種規格，是根據電容器的工作電壓，分為高壓粉、中壓粉、低壓粉，各種粉的比容、物理性能、擊穿電壓都有區別，在生產電容器時，必須根據電容器的規格，合理、恰當選用鉭粉，才能確保電容器的質量。

3.2 ?電容器制造工藝的影響

鉭電容器的生產工藝也直接影響鉭電容器的性能，尤其是以下三個關鍵工序將直接影響鉭電容器的漏電流。

燒結工序，是將鉭粉成型并進行高溫真空燒結，目的是成型和提純，要通過1 500～2 050 ℃高真空燒結，去除雜質，達到提純的目的。如果提純效果不佳，殘留的雜質在鉭陽極芯子中，將成為介質膜中的“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氧化膜產生晶化點。形成工藝結束后，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，如某一環節掌握不好，極易產生“晶化”現象，所以，形成工藝要求制造完整的介質膜層，又不能出現“晶化”現象。

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，太低不能有效剔除缺陷電容器，太高，又會導致本來合格的產品出現缺陷而失效被剔除。

3.3 ?電容器使用的影響

電容器的使用主要涉及兩個層面，一是設計層面，二是操作層面。

首先從設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，電容器長期經受較高工作電壓，氧化膜中不可避免地存在著雜質或其它缺陷，當這些部位的場強較高，電流密度較大，導致局部高溫點出現，從而留下誘發熱致晶化的隱患。在金屬氧化物界面，由于金屬雜質的存在，也可能誘發場致晶化，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成導電通道，從而增加漏電流，進而使介質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，因此仍可保證產品有較小的漏電流。但更高的反向電壓仍會將全鉭液體鉭電容器擊穿。

遠離功率發熱器件。電容器在電路板中布局時應遠離功率發熱器件。當電容器靠近發熱器件時，電容器長時間工作溫度升高，氧化膜中的雜質離子遷移速度增加，導致漏電流增大。

鉭電容器在電路中，應控制瞬間大電流對電容器的沖擊，建議串聯電阻以緩解這種沖擊。請將3 ?Ω/V以上的保護電阻器串聯在電容器上，以限制電流在300 mA以下，當串聯電阻小于3 Ω/V時，則應考慮進一步的降額設計，否則產品可靠性將相應降低（如果將電路電阻從3 ?Ω/V降到≤ 0.1 ?Ω/V，則失效率提高約10倍）。當電容器用于紋波電路時，降額系數至少應為0.5。選用高頻鉭電容器時，限流串聯電阻阻值可適當降低（建議R>3 ?Ω/V）。

從使用操作層面應注意以下幾點：

使用烙鐵（30 W以下）時，烙鐵尖端的溫度在350 ℃以下，使用時間應在3 s以內，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，電容器內部產生應力，導致氧化膜受損，絕緣性能下降，漏電流增大。

對標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險，請將該電容器報廢。

電容器應避免直接接觸水、鹽、油等的環境。雜質離子將電容器陽極陰線與陰極連同，形成并聯導電通道，導致漏電流增大。

4 ?結 ?語

非固體電解質鉭電容器雖然以容量大、體積小、工作可靠而被廣泛應用，但漏電流大的問題也偶爾發生，一旦發生會對產品的性能產生嚴重影響。控制漏電流就是控制氧化膜的質量，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人員分析解決問題提供幫助。

參考文獻

[1]陳永真.電容器及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

[2]陳燕，董世娜，趙宏杰.影響電解電容器漏電流的因素[J].電子產品可靠性與環境試驗，2007（6）：64-66..

[3]王訓國，彭莉莉，譚健.CA30型非固體鉭電解電容器的可靠性[J].電子元件與材料，2000， 19（4）： 3-4.

避免反向電壓。不允許將非固體電解質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成導電通道，從而增加漏電流，進而使介質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，因此仍可保證產品有較小的漏電流。但更高的反向電壓仍會將全鉭液體鉭電容器擊穿。

遠離功率發熱器件。電容器在電路板中布局時應遠離功率發熱器件。當電容器靠近發熱器件時，電容器長時間工作溫度升高，氧化膜中的雜質離子遷移速度增加，導致漏電流增大。

鉭電容器在電路中，應控制瞬間大電流對電容器的沖擊，建議串聯電阻以緩解這種沖擊。請將3 ?Ω/V以上的保護電阻器串聯在電容器上，以限制電流在300 mA以下，當串聯電阻小于3 Ω/V時，則應考慮進一步的降額設計，否則產品可靠性將相應降低（如果將電路電阻從3 ?Ω/V降到≤ 0.1 ?Ω/V，則失效率提高約10倍）。當電容器用于紋波電路時，降額系數至少應為0.5。選用高頻鉭電容器時，限流串聯電阻阻值可適當降低（建議R>3 ?Ω/V）。

從使用操作層面應注意以下幾點：

使用烙鐵（30 W以下）時，烙鐵尖端的溫度在350 ℃以下，使用時間應在3 s以內，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，電容器內部產生應力，導致氧化膜受損，絕緣性能下降，漏電流增大。

對標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險，請將該電容器報廢。

電容器應避免直接接觸水、鹽、油等的環境。雜質離子將電容器陽極陰線與陰極連同，形成并聯導電通道，導致漏電流增大。

4 ?結 ?語

非固體電解質鉭電容器雖然以容量大、體積小、工作可靠而被廣泛應用，但漏電流大的問題也偶爾發生，一旦發生會對產品的性能產生嚴重影響。控制漏電流就是控制氧化膜的質量，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人員分析解決問題提供幫助。

參考文獻

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[3]王訓國，彭莉莉，譚健.CA30型非固體鉭電解電容器的可靠性[J].電子元件與材料，2000， 19（4）： 3-4.

避免反向電壓。不允許將非固體電解質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成導電通道，從而增加漏電流，進而使介質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，因此仍可保證產品有較小的漏電流。但更高的反向電壓仍會將全鉭液體鉭電容器擊穿。

遠離功率發熱器件。電容器在電路板中布局時應遠離功率發熱器件。當電容器靠近發熱器件時，電容器長時間工作溫度升高，氧化膜中的雜質離子遷移速度增加，導致漏電流增大。

鉭電容器在電路中，應控制瞬間大電流對電容器的沖擊，建議串聯電阻以緩解這種沖擊。請將3 ?Ω/V以上的保護電阻器串聯在電容器上，以限制電流在300 mA以下，當串聯電阻小于3 Ω/V時，則應考慮進一步的降額設計，否則產品可靠性將相應降低（如果將電路電阻從3 ?Ω/V降到≤ 0.1 ?Ω/V，則失效率提高約10倍）。當電容器用于紋波電路時，降額系數至少應為0.5。選用高頻鉭電容器時，限流串聯電阻阻值可適當降低（建議R>3 ?Ω/V）。

從使用操作層面應注意以下幾點：

使用烙鐵（30 W以下）時，烙鐵尖端的溫度在350 ℃以下，使用時間應在3 s以內，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，電容器內部產生應力，導致氧化膜受損，絕緣性能下降，漏電流增大。

對標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險，請將該電容器報廢。

電容器應避免直接接觸水、鹽、油等的環境。雜質離子將電容器陽極陰線與陰極連同，形成并聯導電通道，導致漏電流增大。

4 ?結 ?語

非固體電解質鉭電容器雖然以容量大、體積小、工作可靠而被廣泛應用，但漏電流大的問題也偶爾發生，一旦發生會對產品的性能產生嚴重影響。控制漏電流就是控制氧化膜的質量，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人員分析解決問題提供幫助。

參考文獻

[1]陳永真.電容器及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

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