國內(nèi)外片式鉭電容器的可靠性評(píng)估項(xiàng)目中均在溫度循環(huán)試驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了較多的循環(huán)次數(shù), 其中國家宇航標(biāo)準(zhǔn)中YA級(jí)產(chǎn)品要求100次循環(huán), YB級(jí)產(chǎn)品要求50次循環(huán)。國內(nèi)研制單位普遍認(rèn)為由于其熱膨脹系數(shù)不同, 循環(huán)次數(shù)過多, 會(huì)對(duì)電容器介質(zhì)氧化膜造成損傷, 導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生短路、漏電流超限等現(xiàn)象。本文將結(jié)合宇航用片式鉭電容器詳細(xì)規(guī)范驗(yàn)證工作對(duì)片式鉭電容器溫度循環(huán)試驗(yàn)以HALT、STEP的試驗(yàn)方式累積試驗(yàn)數(shù)據(jù), 并分析溫度循環(huán)試驗(yàn)對(duì)片式鉭電容器可靠性的影響。

從日常累積的片式鉭電容器失效案例可以看出, 主要的失效原因是介質(zhì)層缺陷, 從而導(dǎo)致鉭陽極與二氧化錳陰極之間形成電流通道。而在溫度循環(huán)試驗(yàn)中, 由于Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數(shù)不同, 在溫度急劇變化的過程中, 兩種材料的熱膨脹匹配性是否會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)氧化膜劣化, 值得我們?nèi)パ芯俊?/p>

片式鉭電容器主要結(jié)構(gòu):由鉭粉芯、陽極鉭絲、陽極引出片構(gòu)成電容器的陽極;由Mn O2、石墨、銀漿、陰極引出片構(gòu)成電容器的陰極;介質(zhì)層為鉭粉芯表面通過電化學(xué)反應(yīng)生成Ta2O5膜。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在片式鉭電容器生產(chǎn)過程中, 首先將鉭粉進(jìn)行燒結(jié), 形成鉭塊, 由鉭絲引出, 正極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成Ta2O5介質(zhì)層。再在介質(zhì)層外部通過硝酸錳溶液進(jìn)行反應(yīng)在Ta2O5介質(zhì)層外部生成Mn O2作為陰極。

Ta2O5與Mn O2都屬于離子晶體化合物, 在化學(xué)實(shí)用手冊(cè)中沒有化合物的熱膨脹系數(shù), 但根據(jù)固體理論, 由于無法確定Ta2O5與Mn O2的某一溫度下的勢(shì)能函數(shù)U (r) , 故無法確定熱膨脹系數(shù)。由于Ta2O5與Mn O2都屬于離子晶體化合物離子鍵, 本質(zhì)上是一種靜電效應(yīng), 對(duì)晶格具有束縛作用。正、負(fù)離子間的靜電作用越強(qiáng), 生成的離子鍵也愈強(qiáng)。固體物理中, 離子勢(shì)表示離子鍵的強(qiáng)弱, 離子勢(shì)的定義為離子電荷Z與其離子半徑R之比, 離子勢(shì)越大, 離子鍵越強(qiáng), 晶格振動(dòng)后偏離平衡位置的幾率越小;離子勢(shì)越小, 離子鍵越弱, 晶格振動(dòng)后偏離平衡位置的幾率越大。故工程上近似熱膨脹系數(shù)與 (電價(jià)/配位數(shù)) 2成反比, Ta2O5電價(jià)為5, 配位數(shù)為8, 故其熱膨脹系數(shù)約為2.94×10-6/℃;Mn O2電價(jià)為4, 配位數(shù)為6, 故其熱膨脹系數(shù)約為2.25×10-6/℃。

可見Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)內(nèi), 差別甚小 (一般晶體熱膨脹系數(shù)范圍在10-6~10-2) , 且對(duì)于Ta2O5膜層厚度及Mn O2膜層厚度而言, 其實(shí)際膨脹尺寸非常小, 表明Ta2O5與Mn O2的熱膨脹匹配性較好。且對(duì)于溫度循環(huán)試驗(yàn)過程中180℃的溫差而言, 由于熱膨脹產(chǎn)生的形變量180α, 對(duì)于片式鉭電容器介質(zhì)氧化膜產(chǎn)生的影響也較小。

對(duì)于Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數(shù)的定性分析完成以后, 我們將通過試驗(yàn)驗(yàn)證分析的結(jié)果。對(duì)于熱膨脹系數(shù)的考核, 主要采用《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》中溫度循環(huán)試驗(yàn), 在參考了國內(nèi)外的相關(guān)試驗(yàn)后, 采用HALT、STEP試驗(yàn)?zāi)Ｊ? 對(duì)于溫度循環(huán)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件作了相應(yīng)的調(diào)整。以下為我們對(duì)于熱膨脹系數(shù)考核的具體試驗(yàn)方案。

該試驗(yàn)主要通過兩種方式 (見圖2) 來驗(yàn)證鉭電容器熱匹配性問題, 第一種為HALT試驗(yàn), 該試驗(yàn)通過極限模式對(duì)樣品進(jìn)行考核, 并進(jìn)行失效分析。另一種是STEP試驗(yàn), 該試驗(yàn)通過步進(jìn)試驗(yàn)強(qiáng)度考核樣品, 并進(jìn)行失效分析。

(1) 缺陷定義。片式鉭電容器由于材料、本身存在一定缺陷, 如漏電流等, 這并不是本文所指的缺陷, 本文中缺陷指的是通過試驗(yàn), 導(dǎo)致有明顯變化的數(shù)值。

(2) 在進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)前, 所有的樣品需進(jìn)行額定電壓, 48小時(shí)的老煉試驗(yàn), 在試驗(yàn)前剔出本身存在缺陷的樣品, 保證在進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí), 僅有該試驗(yàn)產(chǎn)生的缺陷, 而不引入其他缺陷。

HALT試驗(yàn)是故障激發(fā)類試驗(yàn), 利用高溫度應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、溫度循環(huán)應(yīng)力及電壓拉偏應(yīng)力, 在短時(shí)間內(nèi)激發(fā)出產(chǎn)品潛在缺陷, 為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在本文中, HALT試驗(yàn), 對(duì)于試驗(yàn)方案中除200次溫度循環(huán)試驗(yàn), 如在200次溫度循環(huán)試驗(yàn)中有1只樣品失效, HALT試驗(yàn)結(jié)束, 且每10次記錄一次數(shù)據(jù), 可看出隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加, 電容器電性能的變化。

STEP試驗(yàn)為步進(jìn)試驗(yàn), 有兩種形式, 一種模式為每次逐步增加試驗(yàn)應(yīng)力考核產(chǎn)品;第二種模式為通過施加相同應(yīng)力多次考核產(chǎn)品, 以上兩種形式均可以達(dá)到遞增試驗(yàn)應(yīng)力的目的。本文采用第二種形式, 通過對(duì)樣品進(jìn)行試驗(yàn)組循環(huán), 步進(jìn)試驗(yàn)壓力, 觀察樣品參數(shù)變化化的趨勢(shì)。如在試驗(yàn)中出現(xiàn)不合格樣品, 將對(duì)樣品剔除后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

本文中將以30次溫度循環(huán)試后進(jìn)行額定電壓、48小時(shí)老煉試驗(yàn)為一個(gè)周期, 進(jìn)行3次周期。在于通過老煉試驗(yàn), 將溫度循環(huán)后暴露的缺陷進(jìn)行放大處理, 這是考慮到由于Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數(shù)比較接近, 僅通過溫度循環(huán)不足以表現(xiàn)出氣溫度系數(shù)的差異。

通過STEP、HALT試驗(yàn), 能全面地得出Ta2O5與Mn O2熱膨脹系數(shù)匹配性。

本次試驗(yàn)選取了CAK45型有失效率等級(jí)的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn), 該系列產(chǎn)品是應(yīng)用最廣泛的片式鉭電容器。試驗(yàn)樣品清單見表1。

試驗(yàn)結(jié)果說明:鉭電容器漏電流實(shí)際測(cè)量值一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定數(shù)值, 故依次界定失效與否范圍較寬, 本文以超出三倍初測(cè)值作為失效判據(jù), 依次判斷鉭電容器失效與否。由于篇幅有限本文僅列舉了一組HALT試驗(yàn)結(jié)果及STEP試驗(yàn)結(jié)果。

在HALT試驗(yàn)結(jié)果中, 200次溫度循環(huán)試驗(yàn)圖表均有22個(gè)值, 第一次為初始值, 第二次為48小時(shí)老煉試驗(yàn)普篩后的參數(shù)。在該試驗(yàn)中已有一支失效, 但為得到完整數(shù)據(jù), 繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。STEP試驗(yàn)主要是溫度循環(huán)加老煉試驗(yàn), 步進(jìn)相同應(yīng)力, 達(dá)到應(yīng)力累加的效果。其中第一次為初始值, 第二次為48小時(shí)老煉試驗(yàn)普篩后的參數(shù), 第三次為30次溫度循環(huán)后的數(shù)據(jù), 第四次為48小時(shí)老煉試驗(yàn)后的數(shù)據(jù), 第五次為累積60次溫度循環(huán)后的數(shù)據(jù), 依次類推, STEP試驗(yàn)一共進(jìn)行累積90次溫度循環(huán)及144小時(shí)老煉試驗(yàn)。

圖3為HALT試驗(yàn)中容量變化結(jié)果, 可見24支樣品均無任何變化, 曲線在200次循環(huán)中呈現(xiàn)出一直線, 變化量均沒有超過初始值的5%。圖4為STEP試驗(yàn)中容量變化結(jié)果, 可見24支樣品均無任何變化, 曲線呈現(xiàn)一直線, 變化量均沒有超過初始值的5%。

圖5為HALT試驗(yàn)中損耗變化結(jié)果, 可見樣品變化趨勢(shì)一般在開始時(shí)損耗都較大, 隨著循環(huán)次數(shù)的增加, 損耗大致略有下降, 可能是由于初測(cè)時(shí), 在生產(chǎn)廠老煉后仍存在極化現(xiàn)象, 在溫度循環(huán)去老練, 故初始值較大。圖6為STEP試驗(yàn)中損耗變化結(jié)果, 可見樣品的變化均不大。

圖7為HALT試驗(yàn)中漏電流變化結(jié)果, 可見漏電流變化較為穩(wěn)定。圖8為STEP試驗(yàn)中漏電流變化結(jié)果, 樣品僅在第一次進(jìn)行30次溫度循環(huán)后的數(shù)據(jù)略有變大, 在其后的循環(huán)試驗(yàn)中參數(shù)又略有恢復(fù), 僅3組中有一支樣品在溫度循環(huán)及老煉后, 漏電流逐漸增大。

圖9為HALT試驗(yàn)中ESR變化結(jié)果, 可見ESR初測(cè)時(shí)數(shù)值比較大, 在普篩后大部分都有所下降, 這一原因可能還是和產(chǎn)品在生產(chǎn)廠老煉后仍存在極化現(xiàn)象有關(guān), 在后續(xù)200次溫度循環(huán)中沒有大的變化。圖10為STEP試驗(yàn)中ESR變化結(jié)果, ESR變化趨勢(shì)與HALT組試驗(yàn)變化趨勢(shì)一致。

在HALT試驗(yàn)中200次溫度循環(huán)試驗(yàn)試驗(yàn)后可以看出, 鉭電容器各項(xiàng)性能指標(biāo)并沒有明顯變化, 由此可知其Ta2O5與Mn O2的熱膨脹匹配性較好, 200次的溫度循環(huán)并不會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生破壞性影響。在STEP試驗(yàn)中可以看出, 鉭電容器的漏電流會(huì)隨著STEP的循環(huán)次數(shù)增加而略有增大, 其他電性能參數(shù)都無明顯變化, 由此可知其Ta2O5與Mn O2的熱膨脹匹配性較好, 對(duì)于本身不存在缺陷的產(chǎn)品, STEP試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。對(duì)于本身存在缺陷的產(chǎn)品, 通過在溫度循環(huán)試驗(yàn)后設(shè)置老煉試驗(yàn), 能將溫度循環(huán)試驗(yàn)中可能暴露的缺陷進(jìn)一步放大。

通過以上試驗(yàn), 片式鉭電容器的Ta2O5與Mn O2的熱膨脹匹配性較好, 對(duì)于本身不存在缺陷的產(chǎn)品能耐受本文所設(shè)置的HALT試驗(yàn)及STEP試驗(yàn)。

通過理論及HALT及STEP試驗(yàn)分析, 采用工程近似方法, 得出離子晶體熱膨脹系數(shù), 與實(shí)際比較結(jié)果一致, 故采用該方法也可對(duì)其他離子晶體材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行分析研究。通過試驗(yàn)證明了Ta2O5與Mn O2的熱膨脹系數(shù)較為接近, 符合文中理論推導(dǎo)。

其次本文中片式鉭電容器中Ta2O5與Mn O2由于材料不同, 其熱膨脹系數(shù)不同, 溫度循環(huán)試驗(yàn)有其必要性, 但由于Ta2O5與Mn O2的熱膨脹系數(shù)其匹配性較好, 對(duì)于本身不存在缺陷的產(chǎn)品, 在進(jìn)行200次的溫度循環(huán)試驗(yàn), 不會(huì)對(duì)產(chǎn)品本身產(chǎn)生破壞作用。故新頒布的國宇標(biāo)中YA級(jí)產(chǎn)品要求100次循環(huán), YB級(jí)產(chǎn)品要求50次循環(huán), 對(duì)于本身不存在缺陷的產(chǎn)品不具有破壞性作用。