鉭電容爆炸失效，是你的原因嗎？

電子工程師對鉭電容都應(yīng)該不陌生，價格比普通的電容要貴上很多，但還很容易就發(fā)生爆炸，很容易就失效。有人都會把這個歸結(jié)于鉭電容本身質(zhì)量不好，但其實很多時候是使用不當(dāng)造成的。

今天我就講一下鉭電容失效的機(jī)理，怎么防止鉭電容失效？字?jǐn)?shù)有點長，希望大家可以耐心地看完，入股不虧。

鉭電容失效的機(jī)理

鉭電容失效與其他類型的電容一樣，分為三種：電參數(shù)變化失效、短路失效、開路失效。

鉭電容失效大部分是由于電路降額不足，反向電壓，過功耗導(dǎo)致，主要的失效模式是短路。另外，根據(jù)鉭電容的失效統(tǒng)計數(shù)據(jù)，鉭電容發(fā)生開路性失效的情況也極少。因此，鉭電容失效主要表現(xiàn)為短路性失效。

鉭電容短路性失效模式的機(jī)理是：固體鉭電容的介質(zhì)Ta2O5由于原材料不純或工藝中的原因而存在雜質(zhì)、裂紋、孔洞等疵點或缺陷，鉭塊在經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)時已將大部分疵點或缺陷燒毀或蒸發(fā)掉，但仍有少量存在。

在賦能、老煉等過程中，這些疵點在電壓、溫度的作用下轉(zhuǎn)化為場致晶化的發(fā)源地—晶核；在長期作用下，促使介質(zhì)膜以較快的速度發(fā)生物理、化學(xué)變化，產(chǎn)生應(yīng)力的積累，到一定時候便引起介質(zhì)局部的過熱擊穿。如果介質(zhì)氧化膜中的缺陷部位較大且集中，一旦在熱應(yīng)力和電應(yīng)力作用下出現(xiàn)瞬時擊穿，則很大的短路電流將使電容迅速過熱而失去熱平衡，鉭電容固有的“自愈”特性已無法修補(bǔ)氧化膜，從而導(dǎo)致鉭電容迅速擊穿失效。

鉭電容失效機(jī)理主要是由于氧化膜缺陷，鉭塊與陽極引出線接觸產(chǎn)生相對位移，陽極引出鉭絲與氧化膜顆粒接觸等，大部分鉭電容失效是災(zāi)難性的，可能發(fā)生燒毀，爆炸，在應(yīng)用過程中需特別注意。

鉭電容為什么失效？怎么防止鉭電容失效

“不斷擊穿”又“不斷自愈”的問題產(chǎn)生失效

在正常使用一段時間后常發(fā)生固鉭密封口的焊錫融化，或見到炸開，焊錫亂飛到線路板上。分析原因是其工作時“擊穿”又“自愈”，在反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致漏電流增加。這種短時間(ns～ms)的局部短路，又通過“自愈”后恢復(fù)工作。

很可能在緊接著的再一次“擊穿”的電壓會比前一次的“擊穿”電壓要低一些。在每次擊穿之后，其漏電流將有所增加，而且這種擊穿電源可能產(chǎn)生達(dá)到安培級的電流。同時電容器本身儲存的能量也很大，導(dǎo)致電容器永久失效。

解決辦法：鉭電容加上電壓或者高溫下工作時，會產(chǎn)生局部”擊穿“現(xiàn)象。環(huán)境溫度從＋85℃降到55℃使用，鉭電容工作壽命增加10倍。

“熱致失效”

鉭電容介質(zhì)氧化膜有單向?qū)щ娦阅埽?dāng)有充放大電流通過介質(zhì)氧化膜，會引起發(fā)熱失效。無充放大電流時，介質(zhì)氧化薄相當(dāng)穩(wěn)定，微觀其離子排列不規(guī)則、無序的，稱作無定形結(jié)構(gòu)。目測呈現(xiàn)的顏色是五彩干涉色。當(dāng)無定形結(jié)構(gòu)向定形結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)化，逐步變?yōu)橛行蚺帕校Q之為“晶化”，目測呈現(xiàn)的顏色不再是五彩干涉色，而是無光澤、較暗的顏色。鉭電容介質(zhì)氧化薄的“晶化”疏散的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鉭電容器性能惡化直至擊穿失效。

解決辦法：應(yīng)該從線路上入手，采取限流措施，增加固鉭線路中的回路電阻。如果應(yīng)用線路中的串聯(lián)電阻從3W下降到0.1W，則其可靠會降低一個數(shù)量級以上。也就是說：固鉭的可靠性下降十倍，在固鉭線路中，增加串聯(lián)電阻，達(dá)以1W／1V后，可增加固鉭應(yīng)用可靠性。

“場致失效”

鉭電容加上高的電壓，內(nèi)部形成高的電場，易于局部擊穿?！皥鲋率А钡脑蚴羌拥姐g電容上的電壓越高，場強(qiáng)越高，越容易產(chǎn)生“場致失效”。

解決方法：提高固鉭可靠性，必須采取電壓降額使用。一般高可靠線路中固鉭電壓降額50%使用，其工作壽命可延長100倍。

低阻抗電路使用電壓過高導(dǎo)致的失效

對于鉭電容使用的電路只有兩種：有電阻保護(hù)的電路和沒有電阻保護(hù)的低阻抗電路.。

對于有電阻保護(hù)的電路，由于電阻會起到降壓和抑制大電流通過的效果，因此，使用電壓可以達(dá)到鉭電容器額定電壓的60%。

沒有電阻保護(hù)的電路有兩種：一、前級輸入已經(jīng)經(jīng)過整流和濾波，輸出穩(wěn)定的充放電電路。在此類電路，電容器被當(dāng)作放電電源來使用，由于輸入?yún)?shù)穩(wěn)定沒有浪涌，因此，盡管是低阻抗電路，可安全使用的電壓仍然可以達(dá)到額定電壓的50%都可以保證相當(dāng)高的可靠性。

二、電子整機(jī)的電源部分，電容器并聯(lián)使用在此類電路上， 除了要求對輸入的信號進(jìn)行濾波外，往往同時還兼有按照一定頻率和功率進(jìn)行放電的要求。 因為是電源電路,因此,此類電路的回路阻抗非常低，以保證電源的輸出功率密度足夠。

在此類電路中使用的電容器應(yīng)該降額多少，一定要考慮到電路阻抗值的高低和輸入輸出功率的大小和電路中存在的交流紋波值的高低。因為電路阻抗高低可以決定開關(guān)瞬間浪涌幅度的大小。內(nèi)阻越低的電路降額幅度就應(yīng)該越多。

對于降額幅度大小，需要必須經(jīng)過精確的可靠性計算來確定降額幅度。

用電壓合適,但峰值輸出電流過大導(dǎo)致失效

鉭電容器在工作時可以安全承受的最大直流電流沖擊I，與產(chǎn)品自身等效串聯(lián)電阻ESR及額定電壓UR存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系。

I=UR/1+ESR

如果一只容量偏低的鉭電容使用在峰值輸出電流很大的電路，這只產(chǎn)品就有可能由于電流過載而燒毀，這非常容易理解。

鉭電容等效串聯(lián)電阻ESR過高和電路中交流紋波過高導(dǎo)致的失效

當(dāng)某只ESR過高的鉭電容器使用在存在過高交流紋波的濾波電路，即使是使用電壓遠(yuǎn)低于應(yīng)該的降額幅度,，有時候，在開機(jī)的瞬間仍然會發(fā)生突然的擊穿現(xiàn)象。

出現(xiàn)此類問題的主要原因是電容器的ESR和電路中的交流紋波大小嚴(yán)重不匹配。

電容器是極性元器件，在通過交流紋波時會發(fā)熱，而不同殼號大小的產(chǎn)品能夠維持熱平衡的容許發(fā)熱量不同。由于不同容量的產(chǎn)品的ESR值相差較高，因此，不同規(guī)格的鉭電容器能夠安全耐受的交流紋波值也相差很大，因此,如果某電路中存在的交流紋波超過使用的電容器可以安全承受的交流紋波值，產(chǎn)品就會出現(xiàn)熱致?lián)舸┑默F(xiàn)象。同樣，如果電路中的交流紋波一定，而選擇的鉭電容器的實際ESR值過高，產(chǎn)品也會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。

一般來說，在濾波和大功率充放電電路，必須使用ESR值盡可能低的鉭電容器.。 對于電路中存在的交流紋波過高而導(dǎo)致的電容器失效問題是經(jīng)常存在的，作為電子工程師不應(yīng)該忽略其危害性。

漏電流偏大導(dǎo)致實際耐壓不夠?qū)е率?/span>

一是鉭電容的實際耐壓不夠造成，當(dāng)電容器上長時間施加一定場強(qiáng)時，如果其介質(zhì)層的絕緣電阻偏低，此時產(chǎn)品的實際漏電流將偏大，而漏電流偏大的產(chǎn)品，實際耐壓就會下降。

二是普通的室溫時漏電流就偏大的產(chǎn)品，如果工作在較高的溫度下，其漏電流會成指數(shù)倍增加，因此其高溫下的實際耐壓就會大幅度下降.，在使用溫度較高時就會非常容易出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

如果選擇使用的鉭電容的漏電流偏大，就很容易出問題。

鉭電容使用時的生產(chǎn)過程因素導(dǎo)致的失效

大部分電子工程師經(jīng)常會注意到鉭電容性能的選擇和設(shè)計，但其實片式鉭電容安裝使用時也會出現(xiàn)許多問題。

一是不使用自動貼裝而使用手動焊接，產(chǎn)品不加預(yù)熱，直接使用溫度高于300度的電烙鐵較長時間加熱電容器，導(dǎo)致電容器性能受到過高溫度沖擊而失效。

二是手工焊接不使用預(yù)熱臺加熱，焊接時一出現(xiàn)冷焊和虛焊就反復(fù)使用烙鐵加熱產(chǎn)品。

三是使用的烙鐵頭溫度使用的烙鐵頭溫度甚至達(dá)到500度.，這樣可以焊接很快，但非常容易導(dǎo)致片式元器件失效。

一致性質(zhì)量問題導(dǎo)致失效

鉭電容實際使用時的可靠性，可以通過計算得出來。很多人都會忽略對設(shè)計可靠性的查證，比如鉭電容使用時的無故障間隔時間MTBF。

下面總結(jié)幾個在實際使用中的經(jīng)驗。

1、值較大的鉭電容比容值較小的鉭電容更易失效

2、片狀鉭電容多發(fā)生在固定的部位或固定的電路中

3、電源濾波的第一個鉭電容更容易失效

4、在ICT、FCT上電瞬間易發(fā)生失效

5、老化過程中鉭電容最容易失效

6、散熱較差的區(qū)域易發(fā)生失效

7、浪涌下易發(fā)生失效

總結(jié)起來，鉭電容失效就是容值、溫度、浪涌等幾個方面引起的。