1、减小液体电解质钽电容器电参数漂移探讨王成兴单位：新云公司五车间（贵阳市 210 信箱）【摘要】液体电解质钽电容器，额定电压高低不同其在可靠性试验和使用中的失效模式也不同。探讨中低压、高压液体电解质钽电容器不同的失效机理，选择杂质含量少的钽粉压制成型电容器阳极，采用提高阳极钽芯的烧结温度，在电容器工作电解液中加入去极化剂和增加电解液对阳极钽芯浸润的工艺方法，减小电容器长寿命试验和长期使用后的电参数漂移和击穿失效。关键词：液体电解质钽电容器 电容量 漏电流 失效 可靠性1.前言电容器寿命试验后电容器电参数漂移是电容器在额定电压、额定温度下规定时间内，完成规定功能后电容器的电容量、损耗角正切值、直流
2、漏电流等参数相对于初始测量值的变化。我国从 80 年代以来，电子产品的可靠性也有了很大提高，但与国际水平相比差距很大。美国 60 年代的元器件失效率已达到 10-8/小时水平，70 年代达到 10-910 -10/小时水平；而我国的电子元器件的失效率一般在五级和六级水平。电容器电参数漂移是影响电容器可靠性的重要因素，本文主要对液体电解质钽电容器的寿命试验数据进行统计分析，找出影响液体电解质钽电容器长寿命试验后电容器电参数漂移问题，并在液体电解质钽电容器的设计、制造中加以改进、完善，提高液体电解质钽电容器的可靠性水平。2.数据统计笔者对全密封液体电解质钽电容器的 B2试验组（85U R10000
3、h 寿命试验）1070 只试验样品的试验数据进行统计。见表 1：表 1额定工作电压（U R） 样品数（只） 失效样品数（只）UR100V 665 5100VU R125V 405 57表 1 的数据作直方图见图 1。0102030405060数 量6 75 100 125电 压85 UR10000h失 效 数图 13. 失效模式3.1 中低压电容器中低压液体电解质钽电容器是指额定工作电压小于 75 伏的液体电解质钽电容器，从统计失效样品看，失效模式主要是电容器的电容量减小引起的失效，如表 1 中统计的 5 只失效样品的失效模式都是电容器在 85U R10000h 试验后电容量减小，其变化量超过
4、-20%。见表 2：表 2失效样品数（只） 与初始测量值相比电容量变化（%）5 -21.4 -27.73.2 高压电容器高压液体电解质钽电容器是指额定工作电压为 100 伏125 伏的液体电解质钽电容器，从统计的失效样品看，失效模式主要是氧化膜击穿所引起的电容器失效。失效情况见表3：表 3失效样品数（只） 击穿（只）损耗大（只）电容量减小（只）漏电流大（只）57 54 1 1 1我们再将击穿失效的电容器按其试验时间进行统计，从中发现电容器击穿的试验时间主要分布在 4000h10000h 范围，见表 4。作直方图如图 2 所示。表 4试验时间（h）10002000 40005000 600070
5、00 80009000 900010000失效数（支） 2 9 16 11 160246810121416失 效 数 (只 )1000 2000 6000 7000 9000 10000 时 间 (h)85 UR10000h失 效 数图 24.失效机理分析4.1 中低压液体电解质钽电容器主要表现为电容量减小的失效模式。其失效原因是电容器在额定温度、额定电压下长时间工作过程中电容器阳极介质氧化膜的自愈特性会在电容器内部产生气体（H 2） 。大量的气体会使电容器内部气压增加，内部气压增加后使新产生的气体无法逸出电解液外面，它仍然保持在介质氧化膜和电解液的界面上，隔绝介质氧化膜与电解液的有效接触，从
6、而使介质氧化膜的有效表面积减少，有效电容量随之减小。这从我们对失效电容器样品的解剖后电容量得到恢复的数据可以得到证实。见表 4。表 4试验前 解剖前电容量（F） 解剖后放气后电容量（F）1020 801.0 1005.0987 713.6 982.02208 1596.4 2180.02315 1713.0 2230.01503 1129.0 1475.0另一方面，大量的 H+ 移动到负极得到电子形成较厚的双电层。从液体电解质钽电容器的结构看，电容器的最后电容量是负极所形成的附加电容量与阳极氧化膜的电容量串联。如果以 C0表示阳极氧化膜电容量，则电容器的最后电容量可以用下式表示：C=C0/（1
7、+d 负 /d0） (1)式中：d 负 为负极双电层厚度。d0 为阳极氧化膜厚度。从式（1）中可以看出，电压越低电容器阳极氧化膜越薄，d 0 值越小，电容器双电层厚度对电容器最终电容量的影响越大,电容器的电容量也就越小。4.2 高压电容器的失效机理液体电解质钽电容器的介质氧化膜是无定型结构的五氧化二钽膜。由于钽粉中或多或少的存在各种金属杂质，如 Fe、N i、C r 等，这些杂质在阳极氧化膜的形成中将生成氧化物存留于无定型氧化膜当中；短期内，由于有氧化膜包裹，其仍然具有五氧化二钽膜的单向导电特性，漏电流很小，但在强电场、高温作用下，经过相当长时间（如 4000 h 以上）疵点处要生成新的结晶物
8、代替其表面的无定型氧化膜，从而产生击穿现象 1 。另外，由于有这种疵点存在，该处能量较高。引起电场畸变，形成高场强，加速疵点晶化，电流集中通过引起局部发热，反过来又加速晶化过程，直至击穿 2 。5.措施讨论及试验数据5.1 在工作电解液中添加去极化剂，减小中低压液体电解质钽电容器长寿命试验后电参数飘移中低压液体电解质钽电容器采取在工作电解液中添加去极化剂吸收负极上的电子,阻止H+ 在电容器负极上得到电子变成 H2 。电容器工作过程中产生的有负面影响的带电粒子的总电量，可由公式（2）计算得出：q（t）= I（t）dt （2）式中：q（t）电荷量；I（t） 对电容器介质有影响的部分漏电流；t 寿命
9、时间。从公式（2）中知，加入工作电解液的添加剂必须能完全吸收电容器工作过程中产生的有不良影响的电荷。减小电容器长寿命试验后的电容量、损耗等电参数漂移。5.2 减小高压液体电解质钽电容器长寿命试验后击穿失效液体电解质钽电容器长寿命过程中发生击穿失效，主要是电容器阳极钽芯上的介质氧化膜存在缺陷点引起。通过优选钽粉和提高烧结温度减少钽芯中的金属杂质；选择氧化能力强、浸润性好的形成液，在形成升过程中根据不同的电压段采取不同的形成电流密度；采用“磷酸水溶液+乙二醇”体系形成液，提高形成液的闪火电压。这样使阳极钽芯表面生成氧化膜厚度均匀、致密，氧化膜中的疵点少，电容器的漏电流小，可靠性高。5.3 增加阳极
10、钽芯内部微孔的浸润由于电容器的阳极钽芯是个多空体，工作电解液进入多空体的细小空隙间，一方面扩大了电容量，但同时也引入了因为这个细小空隙被工作电解液浸润程度的不同而使这部分附加电容量发生的变化。如果将钽芯粗孔表面氧化膜形成的电容量称为恒定电容量 C1，将多空体的细小空隙氧化膜形成的电容量称为 C2与之串联的细小孔隙内部电解液电阻为 r2 , 得到图 3 的等效电路。图 3从图 3 的等效电路可以得到总的电容量为：C=C1 + C2 1/1+( 2r2) (3)由于液体电解质钽电容器因为环境的变化时,电解液的浸润程度将发生变化,C 2 也将跟随变化。增加液体电解质对电容器阳极钽芯的浸润，同时在电容
11、器经受高温长寿命试验后，电解液仍然保持对阳极钽芯的充分浸润，使 C2的变化达到最小，减小电容器长寿命试验后的参数漂移，提高液体电解质钽电容器的可靠性。5.4 试验数据通过以上三个方面的改进后,表 5 统计了不同型号规格的 22 批产品 85U R10000h 试验后的电参数漂移情况。试验样品无击穿失效、电容量变化率 -11.5%+4.3% ，与改进前相比减小了 50% ；试验后电容器损耗和漏电流均远离标准值，电参数的漂移明显减小。统计数据表 5型号规格 85U R10000hC tg ICAK81-10-330 +4.3-5.18 12.222.8 0.261.87CAK35H-10-470
12、+0.71+1.8 17.120.9 0.460.73CAK35H-10-1000 +2.68-5.18 28.631.1 0.310.83CAK35H-10-3300 +0.70-1.5 42.654.1 0.390.95CAK31-15-540 -0.12-7.86 10.912.9 0.380.81CAK31-25-22 +2.26-10.0 2.99.2 0.030.09CAK86-25-680 -0.48+1.4 12.715.5 1.93.8CAK35-25-1000 +1.46+3.58 16.621.3 1.67.6CAK35-40-220 -0.04-2.98 6.98.8
13、0.540.89CAK35-40-330 -0.2-0.82 9.612.4 0.650.98CAK35H-40-1000 -9.3-10.5 15.626.4 1.61.9CAK35H-40-1200 -7.82-11.5 17.324.3 1.23.2CAK31-50-160 +0.53+0.83 5.25.7 0.320.91CAK35H-63-150 +1.13+1.97 5.67.2 0.160.52CAK35-63-220 +0.22+0.66 7.312 0.983.1CAK35H-63-470 -6.8-10.2 11.121.4 0.491.3CAK35-100-100 +0
14、.7-2.5 5.77.2 0.91.22CAK35H-100-150 -2.16-10.0 6.011.2 2.423.82CAK35-125-15 -4.08-8.80 3.76.2 0.140.58CAK31-125-25 -3.99-7.92 4.76.6 0.370.91CAK31-125-56 -4.25-5.19 3.55.1 0.412.5CAK35-125-100 -2.27-5.39 5.16.6 3.476.216.结论通过在工作电解液中添加去极化剂吸收负极上的电子,优选钽粉和提高烧结温度减少钽芯中的金属杂质；选择氧化能力强、浸润性好的形成液，在形成升过程中根据不同的电压段采取不同的形成电流密度；采用“磷酸水溶液+乙二醇”体系形成液，提高形成液的闪火电压；增加液体电解质对电容器阳极钽芯的浸润，保证电容器在高温长寿命试验后，电解液仍然对阳极钽芯保持充分浸润，减小电容器长寿命试验后的参数漂移，提高液体电解质钽电容器的可靠性。参考文献1 陈国光 电解电容器 西安交通大学出版社2 刘仲蛾 液体钽电解电容器失效机理 电子元件与材料作者介绍王成兴同志从 1998 年开始从事液体钽电容器的制造工作，独立完成四项部级新产品的研发，参加两项系列产品的贯标工作，在项目中负责产品的技术攻关工作，液体钽电容器制造工作经验丰富。
