淺談解決片式鉭電容吸潮問題的方法

王敏

（中國空空導彈研究院元器件中心，河南洛陽，471000）

0 引言

吸潮是非氣密封電子產品面臨的共性問題，是導致電子元件失效的最普遍因素［1］。片式鉭電容一般都是采用環氧樹脂作為模壓封裝材料，因環氧樹脂本身的材料特性，被認為是一種半密封元件。在潮濕環境或者常溫環境中儲存、使用時，片式鉭電容會因在空氣中暴露時間過長而過量吸潮，導致各項性能參數指標下降，從而引起電容擊穿或者其他模式的失效。解決片式鉭電容吸潮問題，就是提高其可靠性。本文主要針對該問題，分析了造成片式鉭電容吸潮的原因，結合封裝工藝、焊接和儲存環境的注意事項，提出了解決片式鉭電容吸潮問題的方法。

1 片式鉭電容吸潮原理

片式鉭電容是由粉狀的微小鉭顆粒壓制燒結而成的，自身存在微孔結構，為潮氣提供了存儲空間。將片式鉭電容自然放置在環境中時，空氣中的水汽分子因范德瓦爾斯力吸附在封裝層表面，通過分子運動，沿水汽濃度梯度方向向電容內部各個層面擴散，包括封裝層和鉭芯的界面、電解質和電介質界面、陽極孔隙內部等。當外界環境發生變化，如電場、電流、溫度的改變時，就會在這些界面或者內部產生相應的電應力、溫度應力和機械應力等，其中溫度或濕度應力的梯度對界面有致命的破壞作用，造成片式鉭電容的漏電流(Io)、等效串聯電阻( ESR) 、損耗因子(DF) 、容量變化(ΔC) 超差等問題，嚴重時會導致片式鉭電容短路失效。這就是我們常說的片式鉭電容“吸潮”問題。

2 造成片式鉭電容吸潮的原因

(1)封裝材料

我們都知道生產過程中，片式鉭電容會經過1300℃以上鉭粉芯燒結、180℃～200℃石墨層和銀漿層的烘干、200℃以上封裝材料固化等幾道較高溫度工序。這些工序可以使片式鉭電容自身結構微孔中因吸潮產生的水汽蒸發逸出。試驗發現，此工藝下的環氧樹脂即使在200倍的顯微鏡下也不存在微細氣孔，密封性良好。

但在塑封過程中，塑封材料環氧樹脂是在液體條件下開始固化，其密度遠大于鉭芯本身，會造成水汽難以逸出；另外為了鉭芯與電路聯通，必須使用熱膨脹率與環氧樹脂封層不同的引線。當環境溫度發生變化時，在鉭芯引出線和環氧樹脂包封層之間會產生微細縫隙，液體不能進入這些微細縫隙，而環氧樹脂材料的透氣率又不足以使內部水汽迅速蒸發逸出，因此在一定時間內仍無法阻止各種氣體和水汽的緩慢滲入，直到飽和而達到一種動態的平衡。封裝材料中潮氣的吸附屬于Fichian 型，是一個可逆過程［2］。

(2)回流焊

根據《GJB2283A-2014片式固體電解質鉭固定電容器通用規范》可知片式鉭電容進行回流焊時，需超過183℃保持至少45s,最高溫度在230℃～245℃至少保持5s。在這個過程中，片式鉭電容內部吸附的水汽會瞬間汽化并迅速膨脹，水汽的摩爾體積增大40倍，導致內部壓力瞬間變大，對介質氧化膜造成很大的熱沖擊，加劇封裝材料和鉭芯子之間的分離。但由于各種材料吸濕溶脹能力不同，在各個界面引起不同程度的機械應力和應變。當這個蒸汽壓施加到鉭芯子力學性能較弱的部分時，封裝內部會出現分層，或是出現一些未擴展至外部的裂痕。

片式鉭電容如果長時間工作在150℃以上的高溫環境下，會使陽極極化過程中膜層表面離子局部過熱，從而獲得晶化所需的活化能，出現結晶點，并生長成結晶膜，導致漏電流增加，最終惡化失效，這一現象被稱為熱致晶化。

在回流焊過程中，焊接溫度超過包封材料的玻璃化溫度，會引起包封材料的物理性能變化，當片式鉭電容內部壓力超過環氧樹脂與鉭芯之間的粘結強度和環氧樹脂的彎曲強度時，內部裂紋會延伸到片式鉭電容的表面，造成片式鉭電容的表面起泡或開裂，如圖1所示。情況嚴重時，會最終導致器件炸裂，這就是通常所說的“爆米花效應”。

圖1 片式鉭電容吸潮后開裂

(3)存儲環境

因不同類型的電子元器件，制作原材料對濕度敏感程度不同，而分為不同濕度敏感等級。不同濕度敏感等級電子器元件，在交付和使用前，必須采用與濕度敏感等級相對應的密封包裝形式，以防止從生產完成到使用前，在空氣中暴露時間過長而過量吸潮，導致發生質量問題。美國電子工業聯合會（IPC）和焊接電子元件能委員會（JEDEC）聯合出版IPC/JEDEC J-STD-020標準中將元器件分為1，2，2a，3，4，5，5a，6八個濕度敏感等級，等級1為濕度敏感度最低的等級，等級6為濕度敏感度最高的等級，即數字越大，該器件對濕度敏感等級越高，對水汽越敏感，儲存環境要求越高。

經試驗測定，濕度敏感等級為3的片式鉭電容在正常存儲條件下的固有飽和表面吸附水含量約0.14%～0.17%，在85%RH，MnO2中水汽的吸附量達到2%。這說明，在儲存過程中，模壓層封裝材料、MnO2和陽極體的微孔會吸附周圍環境的水汽，大部分微孔會基本達到飽和，形成“休眠”狀態。當受到浪涌電流或電壓作用后，這些休眠的微孔會被尖峰電流激活，使得Ta2O5和MnO2層瞬間產生的巨大熱量無法及時釋放，導致片式鉭電容短路或發生其他失效。

3 解決吸潮問題的方法

3.1 封裝工藝改進

3.1.1 改進方法

更換密封性更好的封裝材料，可以從本質上解決片式鉭電容吸潮問題，但會大幅度增加生產成本。國內生產廠家，大部分都是在現有工藝完成封裝前再涂覆一層封裝材料，然后用新型的環氧封裝復合材料進行封裝，其余工藝流程不變，這樣不僅可以有效增加其密封性，還能很好的兼顧生產成本，降低工藝改進難度。

片式鉭電容發生鼓脹或開裂的部位全部集中在包封材料和電容引線框架結合部位，從包封層剝離后的狀況來看，該處的包封材料最薄，而且材料和金屬框架之間的粘接性能最差［3］，因此這種涂覆材料一般會涂抹在引線框架和封裝材料結合處。

3.1.2 改進驗證

選擇三種不同殼號的片式鉭電容，進行工藝改進，并記錄改進前后重量的變化，計算出相對吸潮率。相對吸潮率=（吸潮后的重量-吸潮前的重量）/吸潮后的重量×100%，詳見表。

由表1可以看出，改進后吸潮率分別降低0.066，0.071，0.063。這說明涂覆封裝輔料，可以有效降低電容器的吸潮率，在一定程度上可以解決因吸潮引起的失效。

表1 各種規格和殼號的電容吸潮對比

3.2 焊接方式改進

3.2.1 焊接前進行烘烤

片式鉭電容生產廠家一般都會采用真空防潮袋包裝，包裝內含濕度指示卡（見圖2）與干燥劑。焊接前，需要檢查濕度指示卡，若指示卡10%RH點為藍色，且該電容未超過環境中允許暴露時間（見表2），表示元器件干燥合適，可直接使用。若濕度指示卡5%RH點為粉紅色且10%RH點不為藍色，則表示該電容暴露時間已經超過了環境中允許暴露時間，已處于潮濕狀態，應進行烘烤去潮處理。烘烤的條件取決于元器件的厚度（尺寸大小）、超出車間壽命的時間和元器件自身的濕敏等級［4］，IPC/JEDEC J-STD-033給出了烘烤的標準，詳見表3。

表3 烘烤溫度與時間

圖2 濕度指示卡

表2 允許暴露在空氣中的時間

3.2.2 焊接方式

在生產各類電子整機的電路板時，為了適應當下小型化、自動化，提高制造速度和焊接質量，一般采用表面貼片機自動貼裝，只需要設置相關參數，即可自動進行回流焊或者波峰焊。對于95%以上片式鉭電容來說，在焊接時只需選擇合適的焊接曲線，就既能保證焊接質量良好，又能提高焊接效率。但是對于體積較大的G、G4、N、U、V等大殼號片式鉭電容，這種焊接方式和焊接設備反而會容易出現虛焊，或者因受熱面積過大造成片式鉭電容性能受損甚至破壞，因此建議采用手工焊，以減少熱沖擊對電容器的使用可靠性的影響。

3.3 儲存環境改進

對于片式鉭電容這類半密封元件，在儲存過程中需嚴格按照防潮要求，采取相應的防護措施，是保障其可靠性至關重要的一個環節。通常，片式鉭電容采用真空防潮包裝，存儲在溫度40℃、濕度90%RH的非冷凝空氣環境中，并在包裝上粘貼警告或條形碼，標示預期的存儲壽命。一般片式鉭電容的存儲壽命是從包裝封口日算起，至少為12個月。對于未使用完、散裝的片式鉭電容需要放置在空氣干燥箱中，箱內的溫度和濕度條件應維持在25±5℃和10%RH。箱內可使用氮氣或干燥空氣［5］。

4 總結

解決片式鉭電容吸潮問題，不僅需要通過工藝改進，提高包封層的密封性，還需參考相關標準，結合存儲環境和現場條件，在焊接前對片式鉭電容進行烘烤去潮，可以有效的避免鼓脹或開裂現象發生。