片式鉭電容器的耐焊接熱性能與可靠性

封雪 焦瑞祥 張弛

摘? ?要：為適應電子元器件裝配自動化、電子產(chǎn)品小型化的發(fā)展趨勢，貼片式高密度元件逐漸成為電子行業(yè)的首選，作為高密度元件標志之一的片式鉭電容以其壽命長、耐高溫、高頻大容量且準確度高的優(yōu)越性能以及輕型化、小型化、片式化的形狀特點得到了越來越廣泛的應用。本文通過對片式鉭電容器經(jīng)過焊接上機后，開關機時出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，根據(jù)片式鉭電容器的生產(chǎn)制造、使用的原理進行分析，找出造成失效的原因，并根據(jù)原因，提出在生產(chǎn)制造、線路使用中如何避免失效的解決措施，從而提高電子產(chǎn)品的可靠性。

關鍵詞：片式鉭電容器? 浪涌失效? 介質膜? 耐焊接熱性能

中圖分類號：TM53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）05（b）-0101-02

在實際工作中，我們經(jīng)常遇到這樣一個問題，就是本來性能合格的產(chǎn)品，在經(jīng)過250°/10s左右再流焊后，會出現(xiàn)個別產(chǎn)品的漏電流大ESR變大，導致用戶在實際使用過程中造成整機不通電或濾波波形發(fā)生變化。

在出現(xiàn)這類問題后，經(jīng)?？梢钥匆娪脩艉凸讨g為此產(chǎn)生爭議。實際上， 上述問題反映的是一個復雜而棘手的問題。此類失效一般發(fā)生在產(chǎn)品焊接后，在沒有進行測試前，鉭電容器的性能就已經(jīng)出現(xiàn)問題。因為此類失效與浪涌失效沒有任何關系，它們是不同類型的失效，而且失效原因也有根本不同。

1? 片式鉭電容器焊接后失效原因分析

實際上該問題反映的是片式鉭電容器的耐焊接熱性能問題。片式鉭電容器在經(jīng)過一定時間和較高的焊接溫度沖擊后，產(chǎn)品的性能突然劣化。根據(jù)片式鉭電容器制造生產(chǎn)過程并結合實際使用過程，我們認為造成片式鉭電容器耐焊接熱性能不好的原因如下。

1.1 鉭電容器陽極鉭塊強度較低

眾所周知，片式鉭電容器的漏電流隨溫度變化而變化過大[1]。為彌補此類問題，往往我們在生產(chǎn)過程中依靠通過提高陽極塊的強度來解決，即增加壓制密度。但較大的壓制密度又會存在鉭陽極塊表面孔被破壞，空孔率下降，硝酸錳溶液的浸透性變差，造成產(chǎn)品tgδ、ESR值大。因而，為了追求鉭陽極塊具有更好的孔隙度而犧牲強度，這實際上是人為降低了鉭陽極塊的機械強度，使鉭粉粒子之間與鉭絲之間的接觸疏松，耐機械應力的效果差，造成介質氧化膜容易在后工序的加工因溫度、機械等應力的施加而損傷，為片式鉭電容器在經(jīng)再流焊的熱應力影響下失效埋下了隱患。實際上，鉭陽極塊有高的強度（即較大的壓制密度）并不就意味著該產(chǎn)品在后續(xù)加工時會出現(xiàn)tgδ值會過高。如果我們在生產(chǎn)時適當改進MnO2層的制造工藝，在MnO2層中進行摻雜，使MnO2層均勻、致密、電阻率小且具有較高的強度[2]，這樣生產(chǎn)出的鉭陽極塊強度才能保證產(chǎn)品具有足夠的強度，更低的tgδ值和更低的ESR值。

1.2 鉭芯子物理結構存在缺陷

在實際生產(chǎn)中，我們對陽極制造在鉭電容器生產(chǎn)技術中的重要性認識根本不夠，對鉭芯子物理結構缺陷對產(chǎn)品漏電流的影響認識模糊，缺乏基本的研究。在鉭陽極塊壓制完成后，方方面面的原因，使我們生產(chǎn)出的鉭陽極塊存在缺料、裂紋、浮粉及毛邊等有突出的鉭粉粒子組成的尖端部位，這樣的產(chǎn)品在經(jīng)過模壓封裝時，受機械應力的作用，該部分尖端部位的介質氧化膜遭到損傷，在經(jīng)過高溫焊接時模壓塑封料的熱脹冷縮效應的猛烈熱沖擊， 突出部位的介質層非常容易受到變形過大的熱應力破壞而漏電流突然變大[3]。此類問題在中高壓產(chǎn)品上占的比例較高。

1.3 氧含量對片式鉭電容器漏電流的影響

氧的存在導致鉭陽極塊氧化膜形成不均勻。在無雜質存在情況下，賦能后形成的鉭氧化膜是非常均勻一致的無定型Ta2O5膜。氧若存在于鉭金屬的表面，在高溫焊接后和外加電壓的條件下，基體表面狀態(tài)和形成液均適合于晶核的生長，晶核不斷長大，開始擠裂其上面及周圍的無定型膜，這樣造成了無定型膜的破壞。此時的氧已成為鉭陽極氧化膜中的“晶化點”，即在氧膜局部產(chǎn)生了無定型Ta2O5結構向β-Ta2O5晶型結構的轉變，而氧含量越高，結晶型膜也就越多。

由于無定型膜與結晶型膜之間存在著微細的縫隙，電子電流可以通過膜上的這些縫隙，而氧含量越高，結晶型膜的區(qū)域就越大，對與無定型膜接界的周圍縫隙的影響也越大，導致鉭電容器漏電流增大。

1.4 環(huán)氧樹脂塑封體受熱膨脹造成的失效

片式鉭電容器的結構是將浸漬好石墨、銀漿的鉭芯子包覆在環(huán)氧樹脂塑封體內，由于尺寸較小，環(huán)氧樹脂層無法更厚，導致高溫焊接時，快速的熱沖擊能量馬上就傳導到鉭電容器機體上，使鉭電容器的溫度升高速度過快，導致漏電流大。另外，由于材料熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生機械應力、損傷介質氧化膜，也會導致在高溫焊接后出現(xiàn)漏電流失效。由于片式鉭電容器由鉭芯子、氧化膜（Ta2O5）、二氧化錳（陰極）、石墨、銀漿、引線框架、模壓料等構成，這些材料中有金屬、半導體以及絕緣材料，其熱膨脹系數(shù)各不相同，在溫度變化（如焊接和溫度沖擊）的作用下，熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的收縮效應會使氧化膜破損，缺陷部位在機械應力的作用下進一步擴大，導致其絕緣強度降低，最終在電場的作用下?lián)舸?/p>

圖1中VBD為擊穿電壓，Vr為額定電壓。從圖中可看到，焊接前氧化膜缺陷處裂痕較淺，耐壓能力強，焊接后缺陷區(qū)域裂痕加深，耐壓能力顯著降低，有些產(chǎn)品甚至焊接后就已經(jīng)短路。焊接溫度越高，時間越長，這種破壞作用就越大。

1.5 產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中積聚的應力沒有通過合適的工藝方法去除

鉭電容器的生產(chǎn)過程中，鉭芯子塊要經(jīng)過1300～2000°左右的高溫燒結，在如此高的溫度下生產(chǎn)的由金屬粉末組成的鉭電容器，它們的機體必然產(chǎn)生由于鉭原子晶格由于溫度劇烈變化而扭曲的現(xiàn)象。此應力如果不能夠在生產(chǎn)過程中去除，它必然會在某個溫度劇烈變化時釋放出來，此時馬上可以導致介質膜產(chǎn)生裂紋，導致漏電流出現(xiàn)問題[4]。

1.6 焊接條件不合適

焊接方法不同或焊接工藝的制定不一定合適于片式鉭電容器，在焊接過程中使片式鉭電容器經(jīng)受了超過規(guī)定的長時間熱沖擊，因此因素導致的產(chǎn)品失效也非常多。特別是采用手工焊接時，焊接溫度若偏低，則不易進行手工焊接，且焊接不牢固或焊接效果差，可能產(chǎn)生虛焊;當焊接溫度偏高，熱傳導較快，則焊接操作控制掌握難度大，重要的是焊接時間若控制偏長，熱傳導到產(chǎn)品本體內部將使電容器陽極鉭芯經(jīng)受長時間的熱沖擊，進而可能損傷氧化膜，產(chǎn)生質量隱患。

2? 解決片式鉭電容器焊接后失效的方案

2.1 產(chǎn)品在出廠前加強成品測試條件

將產(chǎn)品的漏電流控制在K≤0.002CR*UR，這樣生產(chǎn)出的產(chǎn)品在耐焊接熱后失效的幾率會大大降低。

2.2 降低產(chǎn)品的ESR值

鉭電容器在工作狀態(tài)，其ESR與產(chǎn)品可耐受的漏電流成反比，ESR越低的產(chǎn)品，能夠耐受的沖擊電流越大，因此盡量降低產(chǎn)品的ESR值，也是提高產(chǎn)品可靠性的有效途徑。

2.3 提供合適的焊接溫度條件

制定適合片式鉭電容的焊接工藝，特別是手工焊接時，在適合鉭電容焊接的最佳溫度范圍內進行焊接，避免焊接溫度過高或過低，杜絕焊接熱應力積累、熱沖擊導致的氧化膜損傷，消除焊接質量隱患。

3? 結語

本文重點分析了鉭電容器經(jīng)過高溫焊接后失效的基本原因，并從生產(chǎn)測試及焊接工藝角度提供了避免焊接后失效的解決方案，經(jīng)工程實踐證明，在現(xiàn)有條件下，上述解決方案具備一定可行性與可操作性，是提高鉭電容器可靠性的良好手段。

參考文獻

[1] 陳國光.電解電容器[M].西安：西安交通大學出版社，1986.

[2] 歐陽一鳳.鉭、鈮電解電容器工藝研究進展[J].稀有金屬與硬質合金，2003，31（4）：32.

[3] 歐陽一鳳.鉭、鈮電解電容器工藝研究進展（續(xù)）[J].稀有金屬與硬質合金，2003，32（1）：52.

[4] 郭書霞.固體鉭電容器對產(chǎn)品性能的影響及其形成[J].焦作教育學報，1995（1）：55.