宇航級片式鉭電容器可靠性保證技術研究

王麗麗 曹磊

摘要：隨著航天技術的不斷發展，針對宇航工程任務的高可靠性、長壽命、特殊環境、不可維修性等特點，軍用電子元器件向著了小型化、高性能、高可靠性、高環境適應性的趨勢發展。本文針對宇航級片式鉭電容器失效率等級達到威布爾（weibull）分布C等級、1.5倍額定電壓500小時的加速應力壽命試驗等高可靠性技術要求，對片式鉭電容器介質層形成工藝進行了技術攻關。進一步探討介質層形成層機理，運用EVANS公司創建的產品壽命評估模型，通過對介質層形成液、形成電流密度、形成電壓、形成溫度等形成因素進行正交組合試驗設計，將片式鉭電容器在85℃、1.5倍額定電壓下直流漏電流水平降為攻關前的50%，將85℃、1.5倍額定電壓下產品壽命延長一倍，極大地改善了鉭電容器的介質層質量，提升了產品的固有可靠性。

關鍵詞：宇航級片式鉭電容;介質層形成;技術攻關

中圖分類號：TM535.1?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）08-0062-02

緒論：隨著我國航天事業的不斷發展，載人航天工程取得了巨大的進步。針對宇航工程任務的高可靠性、長壽命、特殊環境、不可維修性等特點，載人航天工程軍用電子元器件向著了小型化、高性能、高可靠性、高環境適應性的方向發展。對于片式鉭電容器某所提出了極高的可靠性指標要求，即：產品滿足GJB2283中失效率等級威布爾（weibull）分布C等級、產品通過1.5倍額定電壓500小時的加速應力壽命試驗等。

1?產品壽命可靠性評估

1.1產品結構及電性能參數簡介。

（1）產品基本結構。片式鉭電容器主體結構由燒結鉭陽極芯子及其表面的Ta2O5氧化膜、二氧化錳陰極層三部分構成。

a）陽極鉭芯子是通過陽極設計使一定比容的電容器級鉭粉在外界壓力作用下形成具有一定機械強度、粉量、壓制密度和規則幾何形狀、尺寸的陽極芯體，在高溫高真空條件下，通過鍵合作用形成具有一定機械強度的陽極塊。

b）Ta2O5氧化膜形成主要是應用電化學原理，在一定的化學溶液中，在電場的作用下，使陽極芯體多孔體表面生產一層無定形結構的Ta2O5作為片式電容器介質層。

c）二氧化錳陰極主要是通過多次浸漬硝酸錳溶液，通過高溫分解硝酸錳溶液，在介質層表面形成β型二氧化錳陰極層。

（2）產品電性能參數。片式鉭電容器的產品性能參數主要有電容量、直流漏電流、損耗角正切、等效串聯電阻等。

a）損耗角正切：所消耗的有功功率與無功功率的比值。

b）直流漏電流：該參數電容器絕緣高低質量關鍵表征，與產品電容量大小、施加電壓、測試溫度密切相關，數值越低越好。

c）等效串聯電阻：電容器物理結構的串聯電阻。

1.2可靠性技術指標要求。

（1）產品失效率等級鑒定。目前，“國軍標”片式鉭電容器以“指數分布”為基礎，按維持周期抽樣進行失效率等級鑒定和維持，以35V47μF產品為例，失效率等級初始鑒定為“M級”（1%/1000h），試驗條件為：置信度等級60%、85℃、35V、2000h后，累計元件小時數20 4000小時;“宇航級”片式鉭電容器以“威布爾分布”為基礎，采用逐批100%質量一致性加速壽命試驗的方式要求失效率等級達到“C級”（0.01%/1000h），試驗條件為：置信度等級90%、85℃、52.5V、500h后，累計元件小時數5961 6313小時，在該水平下產品失效率等級定級的元件小時數為“指數分布”的292倍。

（2）產品可靠性分析。將現有35V47μF按照威布爾分布定級試驗條件進行試驗，產品漏電流不斷增大，24h后出現產品擊穿失效，300h后產品全部擊穿失效。

（3）失效原因分析。分別取擊穿失效和漏電流超差產品進行失效分析，可以明顯觀察產品表面存在晶化點，圖1為漏電流超差產品中介質層狀態。

經分析：產品失效主要由于長期施加過電壓應力，致使介質層遭到破壞，漏電流增大而失效。從介質層角度分析，雖然是Ta2O5介質層耐電場強度很高的絕緣物，但它不是一層完美無缺的超薄型薄膜，表面上或多或少地存在著各種極微小的疵點、空洞、以及縫隙之類的缺陷。產品的漏電流是由通過這些缺陷的雜質離子電流和電子電流組成。產品在長期承受高的工作電壓時，疵點部位的電應力集中，電流密度大，導致局部高溫點出現，促使疵點周圍的局部氧化膜先閃火，生成結晶性氧化膜頂破無定型膜，誘發熱致晶化，導致產品失效。

（4）產品壽命評估模型。EVANS公司David Evans先生通過大量試驗創建了產品壽命評估模型，即產品在各種環境條件下的壽命與產品瑕疵點上通過的電荷量總量成正比，通過的電荷總量以產品的長期穩態的直流漏電流與時間的乘積計算。

Q=I*T

其中：Q——通過的總電荷量，單位：庫倫;

I——穩態直流漏電流值，單位：A;

T——充電的時間，單位：s;

基于壽命評估模型，我們可以反向推算片式鉭電容器在85℃、1.5倍額定電壓、500h壽命產品需達到的穩態直流漏電流的值。

35V47μF已通過了85℃、35V、10000h壽命試驗考核，穩態直流漏電流均值為1.8μA，按公式計算，產品通過的電荷量Q=10000*60*60*1.8*10-6=64.8庫倫，相應的產品在85℃、52.5V、500h高加速壽命極限評估考核中，產品的穩態直流漏電流最大應為：64.8/（500*60*60*10-6）=36μA，即產品在高加速壽命試驗中穩態直流漏電流≤36μA可通過威布爾C級失效率定級。

2?介質層形成技術研究

2.1介質層形成機理。介質層是在鉭金屬表面上由鉭離子與氧離子化合成無定形態的Ta2O5，即2Ta+5+5O-2= Ta2O5。無定形介質膜的性能優良，厚度僅為晶形膜厚度的1/2、閃火電壓高、絕緣性能強、漏電流小，工作時承受的場強可達到（2～3）×106V/cm。

介質膜形成過程中，高溫、高能輻射、強電場等因素會造成場致晶化（無定形向晶形轉變），在無定形介質膜上出現晶化膜。介質膜形成時承受的場強可以達到（5～6）×106V/cm，介質膜厚度增加速度與電場強度成正比，電場強度高的部位的介質膜厚度增加較快。但是，在介質膜快速增厚的過程中，局部區域會出現晶化，并有可能逐步擴大，影響介質膜質量。

晶化先從晶核開始，晶核多出現在金屬與氧化膜的界面上，晶核出現的部位：鉭金屬原有的晶格缺陷、形成介質膜時金屬離子的消耗所造成的缺陷、雜質造成的缺陷、顆粒尖端部位、邊緣部位等，這些缺陷離子自由能較高，容易形成晶核。當外界存在過應力時，晶核不斷長大，擠裂周圍無定形膜，使無定形膜極度撕裂，由于晶化膜容易傳導離子電流，將導致漏電流劇增。因此，介質膜形成過程中抑制晶化和減少瑕疵點顯得尤為重要。

介質膜Ta2O5形成的抑制晶化主要因素有：形成液、形成電壓、形成溫度、形成電流密度。

a）形成液。形成液的選擇主要考慮閃火電壓的大小和抑制晶化能力的強弱。形成液離子濃度愈小，閃火電壓愈高，晶化潛伏期愈長。陰離子半徑越大（NO3-：1.89埃;SO4-2：2.30埃;PO4-3：2.38埃），在電場下受到變形越小，距氧化膜距離大，界面上電子交換的活化能大，閃火電壓越高。

目前行業內普遍選擇電解質濃度低的0.01%～0.1%的HNO3、H3PO4。

b）形成電壓。片式鉭電容器的形成電壓為產品額定電壓的3～5倍，形成電壓高有利于減小產品的漏電流及其分散性，但是過高的形成電壓，將縮短晶化潛伏期，導致電流上升查，誘發場致晶化發生。

c）形成溫度。形成溫度較高時，得到的氧化膜致密性較好。但高溫形成時，由于雜質缺陷處電流集中，容易發生閃火引起來局部高溫，誘發熱致晶化發生。同時宜采用自動控制系統的形成液裝置，保持形成液的成份和溫度。

d）形成電流密度。氧化膜的生產速度，取決于形成電流密度。電流密度過小，不利于提高生產效率;電流密度過大，將導致多孔體系的陽極芯體微孔中的電場分布不均勻，氧化反應產生的熱量過大，芯體表面和中心產生較大的溫差，誘發晶化發生。

當產品介質層出現晶化就表明了產品電性能下降，質量已不能保證。因此，漏電流是片式鉭電容器質量的一個重要標志。

2.2產品試驗設計。根據介質層形成的機理的分析結論，我們從形成液、形成電壓、形成溫度、形成電流密度等4個因素著手，每個因素進行3個水平的試驗，選取正交表L9（3）進行4因素3水平的9組試驗。

3?試驗結果分析

3.1試驗數據統計分析。將9組試驗產品數據進行合格率統計，在不同溫度、電壓下的測試產品漏電流，測試數據如表2所示。

根據試驗合格率、25℃及85℃漏電流均值統計結果，可以看出形成液的對產品介質層形成影響水平最為顯著，0.01%HNO3形成液下產品的漏電流水平較好。取合格率超過80%的幾組試驗樣品進行96小時電壓老化試驗，監控其85℃、52.5V高溫漏電流，每半小時進行數據采集一次，產品數據如表3所示。

從以上統計數據可以看出，產品的漏電流水平隨著電壓老化時間延長而上升，經過32h后產品的漏電流水平趨于平穩。基于產品壽命評估模型確定的漏電流水平≤36μA（85℃、52.5V），目前試驗7、8、9條件下產品的產品漏電流水平滿足要求。

3.2產品高加速應力試驗。按照條件8的進行樣品生產，并按照“威布爾分布”C等級定級試驗要求進行產品高加速應力試驗，試驗數據如表4所示。

從產品試驗數據統計分析，可以看出隨著高加速壽命試驗時間的持續，產品的漏電流逐步趨于穩定。通過對產品介質層形成工藝技術攻關，產品經過1.5UR、85℃、500h的“極限評估”驗證，高溫漏電流水平降低為攻關前的50%，有效地提升了產品的壽命可靠性，產品失效率達到了“威布爾分布”C等級。

4?結論

通過對“宇航級”片式鉭電容器產品的可靠性研究，對片式鉭電容器的壽命可靠性進行了分配，借助于“EVANS公司的產品壽命評估模型”確定了產品攻關目標，經“4因素3水平” L9（3）的試驗，完成了壽命可靠性的提升。在1.5UR、85℃、500h的“極限評估”試驗中，產品0失效，元件小時數為5961-6313小時，達到了“威布爾分布”C等級。

參考文獻：

[1]陳國光，曹婉真.《電解電容器》.2008年1月.

[2]張增照.《以可靠性為中心的質量設計、分析和控制》.2010年5月.

[3]《Determination of Capacitor Life as a Function of Operating Voltage and Temperature》David Evans.