王麗麗 曹磊

摘要：隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，針對宇航工程任務(wù)的高可靠性、長壽命、特殊環(huán)境、不可維修性等特點(diǎn)，軍用電子元器件向著了小型化、高性能、高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性的趨勢發(fā)展。本文針對宇航級(jí)片式鉭電容器失效率等級(jí)達(dá)到威布爾（weibull）分布C等級(jí)、1.5倍額定電壓500小時(shí)的加速應(yīng)力壽命試驗(yàn)等高可靠性技術(shù)要求，對片式鉭電容器介質(zhì)層形成工藝進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。進(jìn)一步探討介質(zhì)層形成層機(jī)理，運(yùn)用EVANS公司創(chuàng)建的產(chǎn)品壽命評(píng)估模型，通過對介質(zhì)層形成液、形成電流密度、形成電壓、形成溫度等形成因素進(jìn)行正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(guān)前的50%，將85℃、1.5倍額定電壓下產(chǎn)品壽命延長一倍，極大地改善了鉭電容器的介質(zhì)層質(zhì)量，提升了產(chǎn)品的固有可靠性。

關(guān)鍵詞：宇航級(jí)片式鉭電容;介質(zhì)層形成;技術(shù)攻關(guān)

中圖分類號(hào)：TM535.1?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1672-9129（2020）08-0062-02

緒論：隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，載人航天工程取得了巨大的進(jìn)步。針對宇航工程任務(wù)的高可靠性、長壽命、特殊環(huán)境、不可維修性等特點(diǎn)，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(huán)境適應(yīng)性的方向發(fā)展。對于片式鉭電容器某所提出了極高的可靠性指標(biāo)要求，即：產(chǎn)品滿足GJB2283中失效率等級(jí)威布爾（weibull）分布C等級(jí)、產(chǎn)品通過1.5倍額定電壓500小時(shí)的加速應(yīng)力壽命試驗(yàn)等。

1?產(chǎn)品壽命可靠性評(píng)估

1.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及電性能參數(shù)簡介。

（1）產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)。片式鉭電容器主體結(jié)構(gòu)由燒結(jié)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(gòu)成。

a）陽極鉭芯子是通過陽極設(shè)計(jì)使一定比容的電容器級(jí)鉭粉在外界壓力作用下形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度、粉量、壓制密度和規(guī)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(jī)械強(qiáng)度的陽極塊。

b）Ta2O5氧化膜形成主要是應(yīng)用電化學(xué)原理，在一定的化學(xué)溶液中，在電場的作用下，使陽極芯體多孔體表面生產(chǎn)一層無定形結(jié)構(gòu)的Ta2O5作為片式電容器介質(zhì)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(zhì)層表面形成β型二氧化錳陰極層。

（2）產(chǎn)品電性能參數(shù)。片式鉭電容器的產(chǎn)品性能參數(shù)主要有電容量、直流漏電流、損耗角正切、等效串聯(lián)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(shù)電容器絕緣高低質(zhì)量關(guān)鍵表征，與產(chǎn)品電容量大小、施加電壓、測試溫度密切相關(guān)，數(shù)值越低越好。

c）等效串聯(lián)電阻：電容器物理結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電阻。

1.2可靠性技術(shù)指標(biāo)要求。

（1）產(chǎn)品失效率等級(jí)鑒定。目前，“國軍標(biāo)”片式鉭電容器以“指數(shù)分布”為基礎(chǔ)，按維持周期抽樣進(jìn)行失效率等級(jí)鑒定和維持，以35V47μF產(chǎn)品為例，失效率等級(jí)初始鑒定為“M級(jí)”（1%/1000h），試驗(yàn)條件為：置信度等級(jí)60%、85℃、35V、2000h后，累計(jì)元件小時(shí)數(shù)20 4000小時(shí);“宇航級(jí)”片式鉭電容器以“威布爾分布”為基礎(chǔ)，采用逐批100%質(zhì)量一致性加速壽命試驗(yàn)的方式要求失效率等級(jí)達(dá)到“C級(jí)”（0.01%/1000h），試驗(yàn)條件為：置信度等級(jí)90%、85℃、52.5V、500h后，累計(jì)元件小時(shí)數(shù)5961 6313小時(shí)，在該水平下產(chǎn)品失效率等級(jí)定級(jí)的元件小時(shí)數(shù)為“指數(shù)分布”的292倍。

（2）產(chǎn)品可靠性分析。將現(xiàn)有35V47μF按照威布爾分布定級(jí)試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，產(chǎn)品漏電流不斷增大，24h后出現(xiàn)產(chǎn)品擊穿失效，300h后產(chǎn)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(chǎn)品進(jìn)行失效分析，可以明顯觀察產(chǎn)品表面存在晶化點(diǎn)，圖1為漏電流超差產(chǎn)品中介質(zhì)層狀態(tài)。

經(jīng)分析：產(chǎn)品失效主要由于長期施加過電壓應(yīng)力，致使介質(zhì)層遭到破壞，漏電流增大而失效。從介質(zhì)層角度分析，雖然是Ta2O5介質(zhì)層耐電場強(qiáng)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(diǎn)、空洞、以及縫隙之類的缺陷。產(chǎn)品的漏電流是由通過這些缺陷的雜質(zhì)離子電流和電子電流組成。產(chǎn)品在長期承受高的工作電壓時(shí)，疵點(diǎn)部位的電應(yīng)力集中，電流密度大，導(dǎo)致局部高溫點(diǎn)出現(xiàn)，促使疵點(diǎn)周圍的局部氧化膜先閃火，生成結(jié)晶性氧化膜頂破無定型膜，誘發(fā)熱致晶化，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

（4）產(chǎn)品壽命評(píng)估模型。EVANS公司David Evans先生通過大量試驗(yàn)創(chuàng)建了產(chǎn)品壽命評(píng)估模型，即產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下的壽命與產(chǎn)品瑕疵點(diǎn)上通過的電荷量總量成正比，通過的電荷總量以產(chǎn)品的長期穩(wěn)態(tài)的直流漏電流與時(shí)間的乘積計(jì)算。

Q=I*T

其中：Q——通過的總電荷量，單位：庫倫;

I——穩(wěn)態(tài)直流漏電流值，單位：A;

T——充電的時(shí)間，單位：s;

基于壽命評(píng)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(chǎn)品需達(dá)到的穩(wěn)態(tài)直流漏電流的值。

35V47μF已通過了85℃、35V、10000h壽命試驗(yàn)考核，穩(wěn)態(tài)直流漏電流均值為1.8μA，按公式計(jì)算，產(chǎn)品通過的電荷量Q=10000*60*60*1.8*10-6=64.8庫倫，相應(yīng)的產(chǎn)品在85℃、52.5V、500h高加速壽命極限評(píng)估考核中，產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)直流漏電流最大應(yīng)為：64.8/（500*60*60*10-6）=36μA，即產(chǎn)品在高加速壽命試驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)直流漏電流≤36μA可通過威布爾C級(jí)失效率定級(jí)。

2?介質(zhì)層形成技術(shù)研究

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

介質(zhì)膜形成過程中，高溫、高能輻射、強(qiáng)電場等因素會(huì)造成場致晶化（無定形向晶形轉(zhuǎn)變），在無定形介質(zhì)膜上出現(xiàn)晶化膜。介質(zhì)膜形成時(shí)承受的場強(qiáng)可以達(dá)到（5～6）×106V/cm，介質(zhì)膜厚度增加速度與電場強(qiáng)度成正比，電場強(qiáng)度高的部位的介質(zhì)膜厚度增加較快。但是，在介質(zhì)膜快速增厚的過程中，局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)晶化，并有可能逐步擴(kuò)大，影響介質(zhì)膜質(zhì)量。

晶化先從晶核開始，晶核多出現(xiàn)在金屬與氧化膜的界面上，晶核出現(xiàn)的部位：鉭金屬原有的晶格缺陷、形成介質(zhì)膜時(shí)金屬離子的消耗所造成的缺陷、雜質(zhì)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(dāng)外界存在過應(yīng)力時(shí)，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(dǎo)離子電流，將導(dǎo)致漏電流劇增。因此，介質(zhì)膜形成過程中抑制晶化和減少瑕疵點(diǎn)顯得尤為重要。

介質(zhì)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(qiáng)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(yè)內(nèi)普遍選擇電解質(zhì)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(chǎn)品額定電壓的3～5倍，形成電壓高有利于減小產(chǎn)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(dǎo)致電流上升查，誘發(fā)場致晶化發(fā)生。

c）形成溫度。形成溫度較高時(shí)，得到的氧化膜致密性較好。但高溫形成時(shí)，由于雜質(zhì)缺陷處電流集中，容易發(fā)生閃火引起來局部高溫，誘發(fā)熱致晶化發(fā)生。同時(shí)宜采用自動(dòng)控制系統(tǒng)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(chǎn)速度，取決于形成電流密度。電流密度過小，不利于提高生產(chǎn)效率;電流密度過大，將導(dǎo)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(yīng)產(chǎn)生的熱量過大，芯體表面和中心產(chǎn)生較大的溫差，誘發(fā)晶化發(fā)生。

當(dāng)產(chǎn)品介質(zhì)層出現(xiàn)晶化就表明了產(chǎn)品電性能下降，質(zhì)量已不能保證。因此，漏電流是片式鉭電容器質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志。

2.2產(chǎn)品試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)介質(zhì)層形成的機(jī)理的分析結(jié)論，我們從形成液、形成電壓、形成溫度、形成電流密度等4個(gè)因素著手，每個(gè)因素進(jìn)行3個(gè)水平的試驗(yàn)，選取正交表L9（3）進(jìn)行4因素3水平的9組試驗(yàn)。

3?試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。將9組試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行合格率統(tǒng)計(jì)，在不同溫度、電壓下的測試產(chǎn)品漏電流，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)試驗(yàn)合格率、25℃及85℃漏電流均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出形成液的對產(chǎn)品介質(zhì)層形成影響水平最為顯著，0.01%HNO3形成液下產(chǎn)品的漏電流水平較好。取合格率超過80%的幾組試驗(yàn)樣品進(jìn)行96小時(shí)電壓老化試驗(yàn)，監(jiān)控其85℃、52.5V高溫漏電流，每半小時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集一次，產(chǎn)品數(shù)據(jù)如表3所示。

從以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，產(chǎn)品的漏電流水平隨著電壓老化時(shí)間延長而上升，經(jīng)過32h后產(chǎn)品的漏電流水平趨于平穩(wěn)?；诋a(chǎn)品壽命評(píng)估模型確定的漏電流水平≤36μA（85℃、52.5V），目前試驗(yàn)7、8、9條件下產(chǎn)品的產(chǎn)品漏電流水平滿足要求。

3.2產(chǎn)品高加速應(yīng)力試驗(yàn)。按照條件8的進(jìn)行樣品生產(chǎn)，并按照“威布爾分布”C等級(jí)定級(jí)試驗(yàn)要求進(jìn)行產(chǎn)品高加速應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

從產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以看出隨著高加速壽命試驗(yàn)時(shí)間的持續(xù)，產(chǎn)品的漏電流逐步趨于穩(wěn)定。通過對產(chǎn)品介質(zhì)層形成工藝技術(shù)攻關(guān)，產(chǎn)品經(jīng)過1.5UR、85℃、500h的“極限評(píng)估”驗(yàn)證，高溫漏電流水平降低為攻關(guān)前的50%，有效地提升了產(chǎn)品的壽命可靠性，產(chǎn)品失效率達(dá)到了“威布爾分布”C等級(jí)。

4?結(jié)論

通過對“宇航級(jí)”片式鉭電容器產(chǎn)品的可靠性研究，對片式鉭電容器的壽命可靠性進(jìn)行了分配，借助于“EVANS公司的產(chǎn)品壽命評(píng)估模型”確定了產(chǎn)品攻關(guān)目標(biāo)，經(jīng)“4因素3水平” L9（3）的試驗(yàn)，完成了壽命可靠性的提升。在1.5UR、85℃、500h的“極限評(píng)估”試驗(yàn)中，產(chǎn)品0失效，元件小時(shí)數(shù)為5961-6313小時(shí)，達(dá)到了“威布爾分布”C等級(jí)。

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