沖擊載荷作用下的固體鉭電容力電響應特性

賈豐州，牛少華，孫遠程，陶逢剛，劉天國

(1.北京理工大學機電動態控制重點實驗室，北京 100081；2.北京機電工程總體設計部， 北京 100854；3.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621900)

0 引言

在侵徹應用領域，固體鉭電容常作為二次電源為引信電路系統供電，其在侵徹過程中的工作性能對引信系統的工作可靠性起著決定性作用。侵徹過程中，引信及其內部電子元器件將經歷高沖擊過載環境的作用，而包括固體鉭電容在內的多數電子元器件本身并不具備抗高沖擊過載的能力，因此，需要采取適當的防護措施對其加以保護。目前，常用的防護方法在低速度侵徹情況下，確實對引信及其內部器件起到了較好的保護作用，但是隨著侵徹速度的提高，現有的這些防護措施并不十分奏效，常發生一些意想不到的失效現象，其中固體鉭電容在侵徹過程中發生掉電的性能失效現象是引信用電子元器件在侵徹過程中的常見問題之一。為實現對器件的有效保護，首先需要搞清楚其在沖擊作用下產生性能失效的機理。本文針對固體鉭電容在侵徹過程中電氣性能變化而導致失效問題，對其在沖擊載荷作用下的漏電流變化進行分析，從而為固體鉭電容抗沖擊及其相應沖擊防護設計提供參考依據。

固體鉭電容的失效問題，從國內外研究情況來看，更多的是對其在不同電氣環境下電性能變化開展了較多的研究。文獻[1]通過實驗研究了固體鉭電容高溫下的漏電流增大的現象。文獻[2]從電路設計的角度出發得出鉭電容器失效原因是外加高壓作用下其內部形成強電場進而導致局部擊穿。隨著固體鉭電容沖擊環境中失效問題的增多，研究者也開始對其在沖擊作用下的失效問題開展了研究。文獻[3]通過試驗發現了在沖擊作用下固體鉭電容器易造成瞬時短路的現象。文獻[4]通過試驗發現了在沖擊作用下固體鉭電容電容量增大的現象。但就目前研究情況來說，在沖擊作用下漏電流變化情況不夠明確，有必要對沖擊作用下漏電流的變化特性進行分析。本文采用數值仿真方法，對固體鉭電容在沖擊作用下的漏電流的變化特性進行了分析。

1 固體鉭電容的結構特點及其失效機理

固體鉭電容的核心結構由陽極Ta、電介質Ta2O5、陰極MnO2三部分構成。鉭電容的陽極是由鉭粉經過壓制成型和燒結工藝而形成的多孔結構[4-5]，如圖1所示。電容器的介電層則是通過賦能工藝(通常采用電化學反應方式)，在陽極鉭塊上形成的一層Ta2O5膜作為介電層材料；鉭電容的陰極是通過被膜工藝，即經過成型、燒結、賦能工藝后，經過多次浸漬硝酸錳工藝,得到MnO2作為電容器的陰極。由于MnO2無法將鉭芯空隙100%填滿，固體鉭電容結構呈現多層材料的復雜多孔異質特點[6-7]。

圖1 鉭電容結構示意圖[4]Fig.1 Structure of Tantalum capacitor[4]

固體鉭電容在沖擊作用下的失效主要有2種模式：一是機械性失效；二是電性能失效。機械性失效是在強動載作用下，電容結構本身發生失效，主要表現為電容器管腳斷裂、結構變形損壞、碎裂等現象，機械性失效通常為沖擊過載幅值超過了電容器結構的強度極限，現象比較直觀，易于針對失效現象開展防護。而電性能失效則是在強動載作用下，電容器結構本身并沒有損壞，但其電氣性能發生變化，這些電性能變化情況使得電容器的電氣性能不能滿足引信電路工作及電雷管點火的需求；但當沖擊作用消失后，鉭電容的電氣性能能夠恢復，充電后可正常工作。由于鉭電容電氣性能在沖擊過后能夠恢復，且發生概率較低，且實驗室條件難以獲得實際應用的強動載輸入，因而故障難以重現，故障模式難以定位，因此造成鉭電容電性能失效的內在機理不明。由于鉭電容的電性能失效會導致電子學系統失去能量輸入，從而無法正常工作，造成災難性故障，因此，研究固體鉭電容在強動載環境下的力-電響應特性，并揭示其內在的失效機理，對于提高鉭電容應用場景中的電子學系統可靠性有著重要意義。

2 固體鉭電容力電響應特性

2.1 數值仿真模型

為分析固體鉭電容漏電流隨沖擊載荷變化的致因，以COMSOL仿真軟件為平臺，對固體鉭電容力-電響應特性進行了仿真分析。根據固體鉭電容的結構特點，將其等效為如圖2所示的電容模型。模型中電容陽極為球形鉭顆粒并聯而成，其介電層為與鉭顆粒緊密貼合的一層薄膜；另外，鉭電容的陰極是鉭電容制備過程最后，通過被膜工藝多次浸漬硝酸錳溶液，熱分解形成MnO2，被覆于鉭介質氧化膜表面形成陰極。MnO2無法將鉭空隙100%填滿，因此考慮到鉭電容鉭介質氧化膜表面的MnO2與介電層之間無法精密貼合，模型中介電層與MnO2陰極板之間建立縫隙，由于多層材料的多孔異質結構的復雜性，這些縫隙大小和位置存在著不確定性，將這些縫隙簡化為有限元模型的兩側和內部大小不一的三角形柱型孔，如圖3所示。

圖2 固體鉭電容的陽極模型Fig.2 Anode model of solid tantalum capacitor

圖3 固體鉭電容的模型Fig.3 Model of solid tantalum capacitor

模型中材料參數如表1所示[8]。電容陽極為Ta，電容介電層為金屬鉭的氧化表面Ta2O5，電容陰極為MnO2。

表1 材料參數Tab.1 Material parameters

仿真中對固體鉭電容模型陽極鉭施加1 V的端子電壓，固體鉭電容的陰極MnO2接地，在對固體鉭電容完成充電進入穩定后，端子電流將接近0，當固體鉭電容漏電流發生變化時，端子電流也隨之發生變化。對固體鉭電容分別施加脈寬為0.001，0.000 1 s幅值為30 000，60 000和100 000g的沖擊荷載。分析其在不同沖擊載荷作用下，電容內部電場及端子電流的變化。

2.2 仿真結果及分析

2.2.1對比不同幅值不同脈寬沖擊荷載下電流響應

圖4為脈寬0.000 1 s幅值為30 000，60 000和100 000g沖擊荷載下端子電流變化圖。幅值為30 000g時，端子電流達到1.475 9×10-14A；幅值為60 000g時，端子電流達到2.952 52×10-14A；幅值為100 000g時，端子電流達到4.922 56×10-14A。圖5為脈寬0.001 s幅值為30 000，60 000和100 000g沖擊荷載作用下端子電流變化圖。幅值為30 000g時，端子電流達到5.688 28×10-15A；幅值為60 000g時，端子電流達到1.137 73×10-15A；幅值為100 000g時，端子電流達到1.896 43×10-14A。

圖4 脈寬0.000 1 s沖擊荷載下電流變化Fig.4 Current change under shock load with pulse width of 0.000 1 s

圖5 脈寬0.001 s沖擊荷載下電流變化Fig.5 Current change under shock load with pulse width of 0.001 s

根據數值仿真結果得到固體鉭電容在不同幅值、不同脈寬沖擊載荷作用下漏電流變化規律如圖6所示。由圖中不難發現，在脈寬相同的沖擊載荷作用下，固體鉭電容漏電流隨著幅值的增加而變大；在幅值相同的沖擊載荷作用下，固體鉭電容漏電流隨著脈寬的變小而變大。

圖6 脈寬0.000 1 s沖擊荷載下電流變化Fig.6 Current change under shock load with pulse width of 0.000 1 s

2.2.2對比不同幅值不同脈寬沖擊荷載下電場響應

為了分析固體鉭電容漏電流隨沖擊載荷變化的致因，我們通過數值仿真得到在脈寬為0.001，0.000 1 s幅值為30 000，60 000和100 000g沖擊荷載作用下電場分布云圖，如圖7—圖8所示。

圖7 脈寬為0.001 s沖擊荷載作用下的電場變化Fig.7 Variation of electric field under impact load with pulse width of 0.001 s

圖8 脈寬為0.000 1 s沖擊荷載作用下的電場變化Fig.8 Variation of electric field under impact load with pulse width of 0.000 1 s

從圖中可以發現，固體鉭電容陽極球形顆粒周圍電場場強較大,在脈寬相同的沖擊載荷作用下，幅值越大，場強升高越明顯。在相同幅值的沖擊載荷作用下，固體鉭電容場強在脈寬0.000 1 s作用下的變化比脈寬0.001 s作用下更加劇烈。

根據數值仿真結果得到固體鉭電容在沖擊載荷作用下電場變化規律：在脈寬相同的沖擊載荷作用下，固體鉭電容場強隨著幅值的增加而變大；在幅值相同的沖擊載荷作用下，固體鉭電容場強隨著脈寬的變小而變大。電容內部場強的升高會導致貫穿介電層的電流增大[8]，從而致使固體鉭電容漏電流的升高。

3 試驗測試

采用落錘沖擊試驗裝置，對固體鉭電容在沖擊作用下的漏電流進行測試，以獲得其隨沖擊載荷的變化規律。

測試系統由落錘沖擊加載設備、皮安表(Keithley 6487)、加速度傳感器、示波器組成，如圖9所示。待測固體鉭電容焊接在PCB板上，并通過工裝安裝于落錘上；穩壓電源對電容進行充電，充電完成后，落錘沖擊加載控制儀，將落錘提升至一定高度后釋放落錘，落錘下落撞擊基座，從而對待測電容形成沖擊作用；皮安表及示波器觀測記錄漏電流變化情況，同時安裝于落錘上的加速度傳感器測試沖擊過載；調整落錘提升高度改變加速度幅值。

圖9 沖擊測試示意圖Fig.9 Schematic diagram of the experiment

試驗中，分別對22 μF/16 V、22 μF/25 V、47 μF/ 25 V電容在4 000～9 000g沖擊載荷下的漏電流情況進行了測試，測試結果如圖10—圖12所示。

圖10 22 μF/16 V電容漏電流變化圖Fig.10 Variation of Leakage current variation diagram of 22 μF/16 V capacitor

圖11 22 μF/25 V固體鉭電容漏電流變化Fig.11 Variation of Leakage current variation diagram of 22 μF/25 V capacitor

圖12 47 μF/25 V固體鉭電容漏電流變化Fig.12 Variation of Leakage current variation diagram of 47 μF/25 V capacitor

根據測試結果，得到不同耐壓和容值固體鉭電容在沖擊作用下漏電流的變化情況，如圖13所示。由圖中不難發現，隨著沖擊載荷幅值的增加，固體鉭電容漏電流是變大趨勢，該測試結果與仿真結果相一致，驗證了仿真結果的正確性和可靠性。另外，測試結果還表明在同樣幅值沖擊載荷作用下，耐壓、容值大的同樣固體鉭電容相對于低容值、低耐壓的固體鉭電容的漏電流變化較小。

圖13 固體鉭電容漏電流-沖擊載荷關系圖Fig.13 Relationship between leakage current and impact load of solid tantalum capacitor

4 結論

本文以COMSOL仿真軟件為平臺，對固體鉭電容在沖擊作用下的力-電響應特性進行了仿真分析，仿真結果表明：彈性變形范圍內，隨著沖擊載荷的脈寬減小或幅值增大，固體鉭電容漏電流是變大趨勢，同時其電場場強變化也更劇烈。

利用落錘對固體鉭電容進行沖擊試驗測試，從測試結果發現，漏電流隨著沖擊載荷幅值的增加而增加，在沖擊結束后，漏電流會恢復至原來的量級。測試結果驗證了仿真結果的正確性和可靠性。在相同幅值的沖擊載荷作用下，高耐壓、高容值的固體鉭電容的漏電流變化較小，抗沖擊性能相對較好。