如何提高钽电容的可靠性

　如何提高钽电容的可靠性
简单说明;

      生产钽电容器的钽金属是一种稀有的高密度重金属,它具有奇怪的特性;在耐酸性上,它几乎不和任何腐蚀性极强的酸发生反

应,因此,使用它生产的钽电容器的稳定性非常高,可以保持几十年性能不变.因此,在钽电容器诞生初期,它是专用的军用电容器.

另外,它又是一种非常容易氧化的金属.在室温就可以和氧发生简单的氧化反应.此现象基本违背了基本的化学规律;容易发生氧

化反应的金属一般都不耐酸腐蚀,但是,钽金属是个个例. 因此,生产出的钽电容器就肯定具有非常特殊的性能. 高稳定性,长寿命,

高温性能优良.最高的容量体积比.当然,还有高成本和过于复杂的生产技术.AVX代理商

     在优点突出的前提下,钽电容器也具有要命的弱点,耐纹波性能与其它电容器相比较差,不能承受过高的反向电压.这与天才的

艺术家一样;在具有超凡才能的同时,还有远不如人的缺点......当然,如果使用方法和条件合适,钽电容器仍然具有最高的可靠性.

这是它一至在军用行业里使用成为首选的根本原因.

     钽电容器的这种两面性即被人诟病,也被人赞叹;它即可能是使用几十年后的仪器上仍然性能完好如初的器件,也可能因为其

它因素在加电测试时就突然失效.

     实际上,钽电容器的优点可以通过合适的使用和设计完全发挥出来,前提是我们使用者必须对它的优缺点有足够的了解,在选

择类型和设计电路时把问题消灭在萌芽状态.

    我经常见到很多院所在进行电子整机的研发时,只是通过一下实际的加电测试,再通过各种条件下的负载实验就可以定型,但

等到大批生产时,问题频出.到出问题时,只是对某些过程细节进行查找,但没有对系统的设计可靠性进行客观评估. 以事实为基础

的开发验证无可非议,但一个合理的设计不光需要小批次的实际验证,更应该可以通过科学计算验证. 因为一个设计可靠性不够

的电路是有可能通过小批的实验验证的,但到大批生产时就会不断出现问题.此问题的预防方法只能有一个; 能够通过可靠性计

算的设计+实际实验验证的设计.从更科学的角度看,我们显然忽略了设计的可靠性计算验证.

      我们必须认识到;可靠性首先应该是设计出来的而不是别的.而设计的可靠性如何,必须同时能够通过可靠性计算验证和实际

的整机负载实验验证.

      当经验能够使用数学来验证时,这个经验才能够称为科学.否则,仅仅是带模糊性质的经验.

     对于片式钽电容器来说,它的使用可靠性是完全可以事先计算出来的.不能等实验时问题频繁,才倒回去查找设计的问题.这是

缘木求鱼的欠科学行为.

     使用在电子电路中的钽电容器在不同使用条件下的可靠性计算见下面的具体说明.只要把这些都顾及的足够,整机的可靠性

关于电容器部分的可靠性就可以保证了.对于电子整机,最容易失效的部分就是电源部分,对于电源部分,最容易失效的元件就是

电容器,解决了电容器的失效问题,基本上就可以把整机的可靠性设计提高到一个较高的水平.

   

     以下的说明会告诉钽电容器使用者,如果遵守以下条件去使用,您的电路里的钽电容器的可靠性和您设计的设备的可靠性将

可以达到很高的标准;

 

1.整机系统可靠性和子系统的可靠性计算[基础]



       不同种类的电子整机的可靠性设计因为用途而差别很大,例如个人用的IT产品,一般可以保证在3年内不出现大的问题,质量

反映较好的N0KIA个人产品,实际上是由于可靠性标准就制定的较高,所以才会出现比较耐用的印象.而一些军用的电子设备,由

于工作环境的变化范围很大,因此,在设计可靠性时,必须考虑鲁棒性[即应付意外条件变化的能力]如何.因此,不同用途的电子产

品的可靠性设计取决于它的使用条件和使用环境限制.我们不能要求把一个工作在室内的个人IT产品的可靠性等级提高到几十

年,这是一种浪费.同样,你不能把武器的可靠性设计到个人用IT产品的水平.这是犯罪.但是,一部电子设备的可靠性首先是设计出

来的,绝不是简单生产决定的.因此,整机的可靠性设计,必须有明确的可以量化的足够完善的参数指标.具体的标准实际上是各家

公司或用户的协议指标.基本没有可以遵循的固定值.

      但是,电子整机的可靠性是建立在电路设计可靠性和过程控制水平之上的.因此,整机的可靠性又可以分解为许多个具体的标

准.

对于使用钽电容器的电子整机,由于其元件的可靠性是可以计算出来的,因此,分电路的可靠性就可以计算出来.值得注意的是,整

机的可靠性必须以可靠性最低的电路或元件的可靠性为基准. 整机的可靠性如果可以事先量化,那么就可以通过适当的计算来

提高可靠性最低的部分的可靠性设计等级.

      2.不同使用温度下的可靠性计算.

      钽电容器漏电流随温度的增加而增加。工作在 85℃和 125℃之间，最大工作电压Vmax必须降额，合适的降额幅度可以从

下面的公式中求得：

 Vmax=( 1-(T-85)/125)×VR

 这里：  T 是要求的工作温度

VR是额定电压

值得注意的是上述公式只适用于高阻抗的放电电路. 同时,上述公式并没有考虑交流分量和浪涌的影响,因此当使用温度较

高时,必须使用更大的降额电压才能稳定可靠地工作.

3.不同使用电压下的可靠性计算.

     固体钽电容器的可靠性受环境条件的影响很大。例如：温度、湿度、冲击、振动、机械应力和电场强度，包括应用电压、

波纹电流、瞬间电流和电压以及频率。 

     电子整机的可靠性是建立在电子元件的更高可靠性基础之上，因此，在使用选型前必须保证使用的元件的故障率高于整机

故障率要求，固体钽电容器的现场故障率[MTBF]可以从下面的表达式中计算出来：

            MTBF=λ0(V/V0)3×2(T-T0)/10

     这里：

     MTBF：实际工作条件下的故障率

     最高容许使用温度T：85度

V：实际使用电压

     λ0：额定负载下的故障率 (1% /1000h)

     T0：实际使用温度

V0：额定电压

     测试条件：

温度： 85 ℃

 电压： 额定电压

 Rs： 3Ω[要求的线路保护电阻]

上式说明在实际使用中过高的温度和使用电压对产品的可靠性影响非常大。在最高使用温度和工作电压限定的条件下，

应该尽可能选择额定电压更高的产品故障率才可以达到要求。

 

4.滤波电路中的可靠性计算.

      如果在电容器上施加波纹电流，在电容器内会产生焦耳热（功率损耗），因此纹波电流大小会影响电容器的可靠性。

(1)   功率损耗

电容器通过交流纹波时产生的实际功率损耗可以利用下面的公式计算：

 

         P=I2 × ESR……………….公式 1

这里：

         P:    功率损耗 (瓦特)

         I:     波纹电流 (安倍)

         ESR:  等效串联电阻 (Ω)
钽电容以其出现色的高低温特性而成为使用者在工作条件恶劣时的首选,但其可靠性由于钽电容固有的缺陷而受到影响.特别是使用在高温和高浪涌时,产品的可靠性受到突然失效的威胁非常大（钽电容爆炸、钽电容烧毁）.因此,提高钽电容可靠性是我们非常重要的努力目标.
提高钽电容介质层厚度和质量
贴片钽电容的介质层具有很高的介电强度, 当直流电压提高1V,产品的介质层厚度可以增加16埃[每埃为百万分之一毫米]. 因此,提高贴片钽电容可靠性的最有效方法就是通过增加钽粉用量或比容,使产品的介质层更厚,使其能够耐受的电压更高.在体积容许的情况下,尽可能使设计的产品的形成电压更高.
另外,,不同的原材料质量和生产工艺及过程控制水平也可以使产品的介质层在厚度一定时具有更好的质量.它对产品的可靠性影响一样较明显.
降低钽电容的ESR值
钽电解电容在工作状态,其ESR与产品可耐受的浪涌电流成反比,ESR越低的产品,能够耐受的浪涌电流越大,因此想法降低产品的ESR值,也是提高产品可靠性的有效途径. 另外,ESR较低的产品在工作频率较高时产品的阻抗更小,而且容量变化也更小,因此对可靠性也可以造成有利影响.
改变钽电容电连接结构
我们现在生产的钽电容基本上都是单芯子结构，如果我们把阳极芯子做成多个更小的再组装后,根据并联电路里总阻抗值与分阻抗值之间的分数关系，把产品的阳极分成几部分，这样产品的总阻抗值将成倍下降。这样产品的耐浪涌能力将成倍提高,可靠性也成倍提高.这是不采用新阴极材料就可以扩大产品使用频率范围的一个成功方法。采用多芯子结构的产品由于其极低的ESR值和优良的耐浪涌能力,被行业电路专家建议为直流开关电源滤波电路的推荐产品.其可靠性只需要增加成型磨具就可以成倍提高.因此我们可以在不增加生产成本太多的条件下就可以做到此点.
采用先进的贴片钽电容生产工艺
科学无止境,在通过改进生产工艺,使生产出的产品的参数性能更优良,一样可以提高产品的可靠性.例如,在关键的介质层形成时,如果我们可以使用两步发形成,先在产品的表面生成厚度较高的介质膜,然后再形成内部对容量有决定作用的介质膜,由于贴片钽电容的内部结构是一个海绵状的网络结构,由于其存在众多微观上的突出部位,因此其表面在形成时,尖端部位的介质膜由于电场强度分布的趋肤效应而实际分布到的电场强度大的多,因此,此处形成的介质膜的晶体物理结构容易出现问题,非常容易形成可通过较大电流的导电通道.而且非常容易出现晶化现象.如果使用在低阻抗电路里,出现浪涌时,加在产品上的实际电压大于产品能够耐受的额定电压,而由于趋肤效应,加在产品外层的电压场强比产品内部介质膜上的场强更高,相当于加在产品边缘处的场强被放大,因此在产品边缘非常容易出现击穿现象.最危险的是这种放大速度极快,导致产品介质膜上瞬间承受的场强远超过容许值.因此,增加外表层介质层厚度在粉量受到严格限制时,是一个提高产品可靠性的非常有效的途径.