鉭電容為什么失效、爆炸、燒毀及其損壞原因分析

經(jīng)常碰到很多客戶討論鉭電容爆炸問題，特別在開關(guān)電源、LED 電源等行業(yè)，鉭電容燒毀或爆炸是令研發(fā)技術(shù)人員最頭痛的，讓他們百思不得其解。正因為鉭電容失效模式的危險性，讓很多研發(fā)技術(shù)人員都不敢再使用鉭電容了。其實如果我們能夠全面的了解鉭電容的特性，找到鉭電容失效（表現(xiàn)形式為燒毀或爆炸）的原因，鉭電容并沒有那么可怕。畢竟鉭電容的好處是顯而易見的。鉭電容失效的原因總的來說可以分為鉭電容本身的質(zhì)量問題和電路設計問題兩大類，質(zhì)量問題先不考慮，本次我們先來解析一下電路設計問題。

電路設計和產(chǎn)品選型

要求鉭電容的產(chǎn)品性能參數(shù)可以滿足電路信號特點。但是,往往我們不能保證上述兩項工作都做的很到位。因此,在使用過程中就必然會出現(xiàn)這樣那樣的失效問題;現(xiàn)簡單總結(jié)如下：

1. 低阻抗電路使用電壓過高導致的失效

對于鉭電容器使用的電路，只有兩種：有電阻保護的電路和沒有電阻保護的低阻抗電路。

對于有電阻保護的電路,由于電阻會起到降壓和抑制大電流通過的效果。因此,使用電壓可以達到鉭電容器額定電壓的 60%。

沒有電阻保護的電路有兩種：

一、前級輸入已經(jīng)經(jīng)過整流和濾波, 輸出穩(wěn)定的充放電電路.在此類電路,電容器被當作放電電源來使用,由于輸入參數(shù)穩(wěn)定沒有浪涌,因此,盡管是低阻抗電路,可安全使用的電壓仍然可以達到額定電壓的 50%都可以保證相當高的可靠性。

二、電子整機的電源部分。電容器并聯(lián)使用在此類電路, 除了要求對輸入的信號進行濾波外,往往同時還兼有按照一定頻率和功率進行放電的要求. 因為是電源電路, 因此,此類電路的回路阻抗非常低,以保證電源的輸出功率密度足夠. 在此類開關(guān)電源電路中 [也叫 DC-DC 電路], 在每次開機和關(guān)機的瞬間,電路中會產(chǎn)生一個持續(xù)時間小于 1 微秒的高強度尖峰脈沖,其脈沖電壓值至少可以達到穩(wěn)定的輸入值的 3 倍以上,電流可以達到穩(wěn)態(tài)值的10 倍以上。由于持續(xù)時間極短,因此,其單位時間內(nèi)的能量密度非常高, 如果電容器的使用電壓偏高,此時實際加在產(chǎn)品上的脈沖電壓就會遠遠超過產(chǎn)品的額定值而被擊穿。因此,使用在此類電路中的鉭電解電容器容許的使用電壓不能超過額定值的 1/3. 如果不分電路的回路阻抗類型,一概降額 50%, 在回路阻抗最低的 DC-DC 電路,一開機就有可能瞬間出現(xiàn)擊穿短路或爆炸現(xiàn)象.在此類電路中使用的電容器應該降額多少,一定要考慮到電路阻抗值的高低和輸入輸出功率的大小和電路中存在的交流紋波值的高低.因為電路阻抗高低可以決定開關(guān)瞬間浪涌幅度的大小。內(nèi)阻越低的電路降額幅度就應該越多。對于降額幅度大小,切不可一概而論. 必須經(jīng)過精確的可靠性計算來確定降額幅度。

2.電路峰值輸出電流過大(使用電壓合適)

鉭電容器在工作時可以安全承受的最大直流電流沖擊 I,與產(chǎn)品自身等效串聯(lián)電阻 ESR 及額 定電壓 UR 存在如下數(shù)學關(guān)系：

I=UR/1+ESR

如果一只容量偏低的鉭電容器使用在峰值輸出電流很大的電路,這只產(chǎn)品就有可能由于電流 過載而燒毀.這非常容易理解。

3. 鉭電容器等效串聯(lián)電阻 ESR 過高和電路中交流紋波過高導致的失效

當某只 ESR 過高的鉭電容器使用在存在過高交流紋波的濾波電路,即使是使用電壓遠低于 應該的降額幅度, 有時候,在開機的瞬間仍然會發(fā)生突然的擊穿現(xiàn)象; 出現(xiàn)此類問題的主要 原因是電容器的 ESR 和電路中的交流紋波大小嚴重不匹配. 電容器是極性元氣件,在通過交 流紋波時會發(fā)熱,而不同殼號大小的產(chǎn)品能夠維持熱平衡的容許發(fā)熱量不同.由于不同容量 的產(chǎn)品的 ESR 值相差較高,因此,不同規(guī)格的鉭電容器能夠安全耐受的交流紋波值也相差很 大, 因此,如果某電路中存在的交流紋波超過使用的電容器可以安全承受的交流紋波值,產(chǎn)品 就會出現(xiàn)熱致?lián)舸┑默F(xiàn)象.同樣,如果電路中的交流紋波一定,而選擇的鉭電容器的實際 ESR 值過高,產(chǎn)品也會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。

一般來說,在濾波和大功率充放電電路,必須使用 ESR 值盡可能低的鉭電容器. 對于電路中 存在的交流紋波過高而導致的電容器失效問題,很多電路設計師都忽略其危害性或認識不夠. 只是簡單認定電容器質(zhì)量存在問題. 此現(xiàn)象很多。

4 . 鉭電容器漏電流偏大導致實際耐壓不夠

此問題的出現(xiàn)一般都由于鉭電容器的實際耐壓不夠造成.當電容器上長時間施加一定場強時, 如果其介質(zhì)層的絕緣電阻偏低,此時產(chǎn)品的實際漏電流將偏大.而漏電流偏大的產(chǎn)品,實際耐壓就會下降。

出現(xiàn)此問題的另外一個原因是關(guān)于鉭電容器的漏電流標準制定的過于寬松,導致有些根本不具備鉭電解電容器生產(chǎn)能力的公司在生產(chǎn)質(zhì)量低劣的鉭電容器. 普通的室溫時漏電流就偏大的產(chǎn)品,如果工作在較高的溫度下,其漏電流會成指數(shù)倍增加,因此其高溫下的實際耐壓就會大幅度下降. 在使用溫度較高時就會非常容易出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

高溫時漏電流變化較小是所有電容器生產(chǎn)商努力的最重要目標之一,因此,此指標對可靠性 的決定性影響不言而愈.

如果你選擇使用的鉭電容器的漏電流偏大,實際上它已經(jīng)是廢品,出問題因此成為必然.

5 .鉭電容器使用時的生產(chǎn)過程因素導致的失效

很多用戶往往只注意到鉭電容器性能的選擇和設計,而對于貼片鉭電容安裝使用時容易出現(xiàn)的問題視而不見，舉例如下：

A, 不使用自動貼裝而使用手工焊接, 產(chǎn)品不加預熱,直接使用溫度高于300度的電烙鐵較長 時間加熱電容器,導致電容器性能受到過高溫度沖擊而失效.

B,手工焊接不使用預熱臺加熱,焊接時一出現(xiàn)冷焊和虛焊就反復使用烙鐵加熱產(chǎn)品.

C,使用的烙鐵頭溫度甚至達到 500 度. 這樣可以焊接很快,但非常容易導致片式元氣件失效。

貼片鉭電容實際使用時的可靠性實際上可以通過計算得出來,而我們的很多用戶使用時設計 余量不夠,魯棒性很差,小批實驗通過純屬僥幸,在批生產(chǎn)時出現(xiàn)一致性質(zhì)量問題. 此時,問題 原因往往簡單被推到電容器生產(chǎn)商身上,忽略對設計可靠性的查找. 鉭電容器使用時的無故 障間隔時間 MTBF 對于很多用戶來講還是一個陌生的概念. 很多使用者對可靠性工程認識 膚淺.過于重視實驗而忽略數(shù)學計算. 導致分電路設計可靠性比整機可靠性低,因此,批量生 產(chǎn)時不斷出現(xiàn)問題. 不懂得失效是一個概率問題,非簡單的個體問題.實際上鉭電容器使用時 容易出現(xiàn)的故障原因和現(xiàn)象還很多, 無法在此一一論述.如果有使用時的新問題,可以及時交流。