钽电容器的失效原因分析.docx

钽电容器的失效原因分析 对于钽电容器,使用者对它有两种截然不同的评价, 一; 可靠性很高,温频性能优良.二,容易失效, 失效后容易爆炸燃烧, 非常危险. 为什么对于一种产品同时在使用者中间有两种评价呢? 我们首先得清楚钽电容器的优点和缺点. 实际上,上述的评价是针对钽电容器的优点和缺点进行的基本准确的描述. 并无错误. 1.温度性能优良; 在-55-+125 度内 ,容量变化率在-5-+12%之间, 这是其他电容器难望其项背的一项非常重要的指标, 此特点使它成为宽温性能要求较高的电路的首选电容器. 2.体积容量比最高; 目前为止, 尽管铝电容器的小型化进步非常快,叠层陶瓷电容器[MLCC]的容量也可以越做越大, 但钽电容器仍然具有最高的容量体积比. 加之很宽的温度范围内性能出色的稳定性,它仍然是一些性能要求高 ,安装空间和面积有限电路的最佳选择. 钽电容器的缺点-失效模式的危险性 钽电容器一般使用在滤波电路和脉冲充放电电路.此类电路的特点是电路中不光存在功率很高的浪涌电压和电流, 而且存在信号强度很高的交流纹波. 由于钽电容器是一种极性产品,因此, 交流纹波会导致它严重发热, 超过散热的热平衡后, 产品会出现热击穿现象.由于滤波电路基本都属于低阻抗电路,因此,开关的瞬间产生的远远超过稳态工作电压的浪涌电压也经常导致电路设计者忽略了浪涌的存在,在选择产品额定值时没有为确实存在的浪涌留出余量,因此,经常出现的过压击穿就被简单的认定为钽电容器的质量不够,掩盖了电路设计者对基本的低阻抗电路特征的无知.另外,由于不同规格的钽电容器的自有阻抗 ESR 不同,因此,不同规格产品的抗直流浪涌电流的能力也不相同,而使用者对此了解不够非常容易导致选择的产品型号不对. 上述问题是导致钽电容器出现失效的基本原因. 尽管是失效,不同品种的电容器的失效模式很不一样, 而钽电容器的失效模式最为危险;如果击穿后电路通过的电流很大, 击穿的产品会瞬间燃烧或爆炸, 甚至能引发二次效应.这就是许多使用者对它诟病的根本原因. 而造成此严重问题的原因不外呼两点; 设计选型不合适;产品质量本身存在问题. 当产品的型号和电路特点及需求一致时,钽电容器的优点非常明显,可靠性更不存在问题. 此时使用者很容易忽略钽电容器的缺点. 当产品使用出现问题时,一味地指责钽电容器的性能不好. 上述原因一方面说明钽电容器存在抗浪涌能力和耐纹波差的弱点,同时也说明使用者对钽电容器的基本性能特点了解不够.因此, 就出现上文所述的两种观点相反的评价.从根本上说评价都是对的,但有失全面 .钽电容器的高可靠性和优点必须在正确使用的基础上才可以得以体现.而钽电容器的缺点也必须在认识到它的局限性时才可以避免. 从许多故障分析可得出以上结论.但钽电容器危险的缺点的确存在;不能失效,一失效就会出现灭顶之灾. 钽电容器缺点的避免 钽电容器的优点很多人都了解,缺点认识不够是普遍现象, 因为它的失效机理较复杂,即使在生产钽电容器的工厂目前都存在不同甚至根本不清晰的认识,因此,使用者不可能对它的失效原理了解的更多.而此点非常危险 ,往往都是出现了严重的使用问题才发现使用方法有问题或钽电容器质量有问题.有时候,原因好象很难讲清楚 . 从根本上说,钽电容器的缺点无法避免, 它只能靠使用者在设计时的电压选型上采取尽可能保守的方法才可以消除. 失效时的模式是它的危险性的根本所在. 如果想消除钽电容器危险的失效模式,与改变一个成人的遗传一样是不可能的. 氧化铌电容器 铌电容器在紧缺的钽资源导致的钽电容器价格过高时被科技人员盯住,因为铌也是一种可以形成单向导电介质层的阀金属. 因此, 自钽电容器诞生不久,无数的技术人员为开发出与钽电容器性能基本相同的铌电容器费尽心血.但是, 铌氧化物介质层的热稳定性一直无法从根本上得到解决;铌电容器的性能一直无法达到接近钽电容器的程度,特别是它的稳定性差,随时间延长,容量和阻抗及漏电流一直都在变化, 而且高温性能根本不能和钽电容器相提并论.进入 21 实际,在此浪费了无数金钱和经历的科学家终于承认; 纯铌电容器的性能不能从生产技术的改变上得到根本性进步 .实际上从 1965-2000 年的无数研究以不可避免的失败告终. 导致铌电容器开发最终失败的根本原因仍然是铌电容器的生产延续了钽电容器的思路,在工艺原理上就存在致命的缺陷;因为铌介质层内的基材仍然是非常容易氧化的高纯度铌金属.因此,铌电容器就无法避免在击穿时类似于钽的燃烧和爆炸现象.同时, 在高温时铌介质膜的氧迁移现象仍然是产品性能不稳定的根本原因.而这一点暂时没有得到解决. 铌电容器的开发相当于 50 年绕回原点,形成了一个可笑的圆圈 . 氧化铌电容器的出现 在 21 世纪初,在此费尽心血的一个美国人电容器专家和一个德国制造钽粉的工程师提出一种新的电容器工艺理论;使用氧化物而不是纯金属也可以生成单向导电的介质层作电容器.此理论看似简单,实际上却是革命性的 ,它打破了人们遵守了几十年的电容器介质形成理论;只有纯金属才能生成介质层. 而且生成的介质层质量甚至更好. 在钽电容器的制造过程中, 单质态的钽金属粒子中含有其它元素对介质层质量的均一性影响重大.特别是氧含量高低对钽电容器的漏电流影响是致命的.因此, 使用高氧含量的铌粉会出现的问题似乎早已经决定. 但是, 陶瓷电容器的介质层特性引起了钽电容器专家的注意;使用氧化物一样可以形成具有单向导电性的介质层.而且, 在电容器介质层电化学形成理论上我们显然过于墨守成规.我们总认为制造电容器的纯钽元素中氧含量高会导致漏电流大这一判断也适用于铌电容器.实际上只对了一半;当使用纯铌来生产铌电容器时,这一;理论正确,而对于铌氧化物,我们对其在电化学状态下的变化理论显然了解的很不够; 实际上,使用低价的铌氧化物一样可以通过简单的电化学方法生产出性能优良的五氧化二铌介质层,这样, 一种新的电解电容器就问世了,它使用的基材根本不是杂质含量约低越好的钽或者铌,而是一种氧含量必须在 14.5-15.5%的富含氧的一氧化铌. 一氧化铌一直是玻璃及光学器材上大量使用的一种材料,使用它来生产电解电容器,完全是一种理论上的创新,因此使用它生产出的氧化铌电容器也就必然和钽电容器完全割断了血缘关系;它完全是一种具有许多新奇特性的电解电容器. 氧化铌电容器与钽和铌电容器的区别; 1.失效模式不一样; 钽或铌电容器的失效模式基本相同; 当击穿时容量丧失, 当通过电流不加限制时会迅速燃烧或爆炸形成短路. 氧化铌产品在即使是经受了十倍电压击穿时, 仍然可以保持容量和损耗不变 .即使是施加的电流很高,通过的电流仍然能够在 10MA 以内,产品的滤波特性仍然能够保持. 使用在充放电电路,只是输出的功率密度下降. 根本不燃烧不爆炸,不会形成短路. 氧化铌产品的抗浪涌能力 由于使用基材具有阻燃性, 相同的电压下生成的介质层比钽介质层厚 30%,因此具有更高的抗浪涌能力. 同条件下抗浪涌能力高 30%. 氧化铌产品的耐纹波能力 由于产品通过大电流时不会发热燃烧,因此耐纹波能力比钽高一倍. 可以使用在存在较高纹波的开关电源电路. 使用电压和额定电压 钽和铌电容器由于通过电流大时会导致发热击穿,因此使用低阻抗电路时必须降额到额定电压的1/3 才可以保证安全使用. 氧化铌电容器的使用电压可以接近额定电压下使用.在室温时几乎不需要降额就可以保持高可靠性. 可靠性 以 1000 小时,60%的置信度算; 钽电容器可靠性;1% 氧化铌电容器可靠性;0.2% 可靠性比钽电容器高 5 倍 体积容量比 与钽电容器基本相同, 只是在一部分小容量上不能与钽相比. 温度特性 由于氧化铌电容器不容易燃烧和爆炸,因此可安全使用的漏电流标准比钽电容器大一倍. 负温特性和正温特性基本相同 耐焊接热性能 可经受 260 度/10 秒波峰焊或再流焊接性能不出现异常. 频率特性 与相同容量和电压的同壳号钽电容器相同 价格 由于使用了新材料和新技术, 但价格与钽电容器相同或稍低. 氧化铌电容器的缺点 最高额定电压只能达到 16V,无高压产品. 结论 从性能和安全性上比较, 氧化铌电容器完全可以达到更高的可靠性. 在安全性上完全避免了钽电容器的致命缺点,可以达到任何电路的安全性要求. 完全符合 ROhS 标准. 在存在浪涌的开关电源电路上可以代替 25V 以下钽电容器. 是 25V 以下的钽电容器的换代产品. 图解：片式氧化铌 。