唐莎莎

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東廣州，510310

0 引言

非固體鉭電解電容器具有電性能優(yōu)良、工作溫度范圍寬、耐浪涌能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在通信、航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。然而在實(shí)際應(yīng)用中，非固體鉭電解電容器失效率相對(duì)較高，同時(shí)軍工企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的可靠性有更為嚴(yán)格的要求，因此電子元器件需在裝機(jī)使用前進(jìn)行二次篩選，以提高其使用可靠性。本文以CA351系列非固體鉭電解電容器為例，對(duì)其進(jìn)行二次篩選，詳細(xì)介紹二次篩選試驗(yàn)程序及方法，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析二次篩選對(duì)剔除非固體鉭電解電容器早期失效產(chǎn)品、提高使用可靠性的質(zhì)量控制效果，分析失效原因，并提出質(zhì)量控制措施。

1 二次篩選

元器件的二次篩選也叫補(bǔ)充篩選，是為進(jìn)一步提高元器件的使用可靠性，元器件使用方或其委托單位在承制方篩選的基礎(chǔ)上而進(jìn)行的篩選。元器件生產(chǎn)廠家出廠前進(jìn)行的篩選稱為“成品篩選”或“一次篩選”；元器件的“二次篩選”是相對(duì)于“一次篩選”來(lái)說(shuō)的，其試驗(yàn)?zāi)康暮头椒ɑ鞠嗤?，二次篩選是在一次篩選的基礎(chǔ)上剪裁而成。

之所以要進(jìn)行二次篩選工作，主要是由于元器件在生產(chǎn)過(guò)程中難免會(huì)受到產(chǎn)品的材料因素、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝條件或人為因素等影響，導(dǎo)致總有部分產(chǎn)品存在各種潛在的缺陷，使得產(chǎn)品無(wú)法達(dá)到預(yù)期的固有可靠性水平。因此，需要通過(guò)各種環(huán)境應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等應(yīng)力篩選試驗(yàn)，剔除元器件的早期失效產(chǎn)品。

由于電子元器件結(jié)構(gòu)各異，都各自有其特點(diǎn)，其功能及物理特性也千差萬(wàn)別，而二次篩選的篩選應(yīng)力也多種多樣，因此，對(duì)于各種元器件的二次篩選均無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在試驗(yàn)的過(guò)程中，只要保證所選擇的篩選應(yīng)力在無(wú)過(guò)應(yīng)力且不給器件帶來(lái)新的失效模式的前提下，并且能夠盡早激發(fā)出產(chǎn)品的某些潛在缺陷或失效模式，就可以認(rèn)為所選擇的篩選應(yīng)力是有效的。對(duì)于不同電子元器件進(jìn)行可靠性篩選時(shí)所需的應(yīng)力水平可通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定，為達(dá)到相同的目的，若應(yīng)力水平高一些，則所需篩選時(shí)間一般就會(huì)短一些。在選擇篩選應(yīng)力時(shí)主要遵循以下原則：

①篩選應(yīng)力類型應(yīng)選擇能激發(fā)早期失效的應(yīng)力，根據(jù)不同產(chǎn)品所掌握的信息及失效機(jī)理來(lái)確定；

②篩選應(yīng)力以能激發(fā)出產(chǎn)品的早期失效為宗旨，使產(chǎn)品各種隱患和缺陷盡快暴露出來(lái)；

③篩選應(yīng)力不應(yīng)使正常產(chǎn)品失效，即不能過(guò)篩；

④篩選應(yīng)力去掉后，不應(yīng)使產(chǎn)品留下殘余應(yīng)力或影響產(chǎn)品的使用壽命；

⑤應(yīng)力篩選試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間應(yīng)以能充分暴露早期失效為原則。

2 非固體鉭電解電容器的二次篩選試驗(yàn)程序及方法

本文選取CA351系列型號(hào)非固體鉭電解電容器作為研究對(duì)象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)以及篩選經(jīng)驗(yàn)，制定合適的試驗(yàn)程序及方法對(duì)其進(jìn)行100%二次篩選。

2.1 試驗(yàn)程序

非固體鉭電解電容器的篩選程序及其篩選項(xiàng)目為：外觀初查→常溫初測(cè)→溫度循環(huán)→高溫負(fù)荷→常溫復(fù)測(cè)→外觀復(fù)查。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 外觀初查

通過(guò)目視或用5～10倍放大鏡檢查外觀：電容器表面不應(yīng)有漏液或漏液的痕跡；其主體不應(yīng)有變形、破損；引出端不應(yīng)有損傷、松動(dòng)、裂紋、壓傷、銹蝕和裸露基體金屬現(xiàn)象；產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格、日期等標(biāo)識(shí)應(yīng)清楚、正確，錫包處應(yīng)無(wú)缺損、無(wú)開(kāi)裂、表面無(wú)凸起、邊緣無(wú)錫渣，極性標(biāo)識(shí)清晰。

2.2.2 常溫初測(cè)

在常溫下，進(jìn)行主要電性能參數(shù)測(cè)試，主要包含電容量、漏電流的測(cè)試。測(cè)試條件按產(chǎn)品規(guī)范或采用如下方法測(cè)試：電容量和漏電流在測(cè)量之前需對(duì)電容器進(jìn)行放電，電容量測(cè)試[1]條件：使用交流電壓頻率100～120Hz，電壓有效值0.5V，同時(shí)施加1V的直流偏置。漏電流測(cè)試[1]條件：測(cè)試電壓為額定工作電壓，最長(zhǎng)充電時(shí)間5min，并在5min末時(shí)記錄讀數(shù)。如果能在較短時(shí)間內(nèi)到達(dá)規(guī)定的漏電流極限值，則無(wú)需充電5min。注意事項(xiàng)：測(cè)試過(guò)程中嚴(yán)禁電容器正負(fù)極反接，測(cè)試結(jié)束后需徹底放電。

2.2.3 溫度循環(huán)

根據(jù)溫度循環(huán)試驗(yàn)篩選機(jī)理[2]，按GJB360B方法107進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)操作有“單箱法”和“兩箱法”兩種方法，篩選方可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件條件選擇任意一種方法。

“單箱法”[3]：a）將樣品置于合適的容器中，并保持合適的間距，放置于溫度沖擊箱內(nèi)，試驗(yàn)溫度下限溫度設(shè)定為-55℃，上限溫度設(shè)定為125℃；b）使樣品先在-55℃±3℃中保持30min，然后在125℃±3℃中保持30min，中間轉(zhuǎn)換時(shí)間不應(yīng)超過(guò)3min，進(jìn)行5次循環(huán)；c）試驗(yàn)結(jié)束后，將樣品取出，在室溫下恢復(fù)16小時(shí)[1]后進(jìn)行主要電參數(shù)（電容量、漏電流）測(cè)試，測(cè)試方法按照2.2.2操作。

“兩箱法”[3]：a）將試驗(yàn)樣品置于低溫箱中，此時(shí)，低溫箱的溫度已調(diào)至器件下限溫度-55℃±3℃，并在該溫度下保持30min；b）在3min內(nèi)將試驗(yàn)樣品從低溫箱移至高溫箱中。此時(shí)，高溫箱的溫度已經(jīng)調(diào)至器件的上限溫度125℃±3℃，并在該溫度下保持30min；c）在3min內(nèi)將試驗(yàn)樣品從高溫箱移至低溫箱中。重復(fù)2.2.3 a）規(guī)定的試驗(yàn)；d）試驗(yàn)循環(huán)5次，重復(fù)2.2.3 a）至2.2.3 b）步驟。當(dāng)試驗(yàn)樣品從一個(gè)試驗(yàn)箱轉(zhuǎn)換到另一個(gè)試驗(yàn)箱時(shí)，不應(yīng)承受強(qiáng)制的循環(huán)氣流。e）試驗(yàn)結(jié)束后，將樣品取出，在室溫下恢復(fù)16小時(shí)[1]后進(jìn)行主要電參數(shù)（電容量、漏電流）測(cè)試，測(cè)試方法按照2.2.2操作。

注意事項(xiàng)：①由于試驗(yàn)樣品的溫度受到它本身的熱容量及熱慣性的影響，不能等同于試驗(yàn)箱熱量的輸出，但是電容器的體積小，熱容量也比較小，能夠比較快地達(dá)到熱平衡要求，因此，試驗(yàn)箱溫度穩(wěn)定后，可認(rèn)為試驗(yàn)樣品也達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)溫度；②溫度循環(huán)試驗(yàn)一般規(guī)定先低溫后高溫，最后在高溫中結(jié)束，以避免在低溫時(shí)出箱器件殼體表面產(chǎn)生凝露。

2.2.4 高溫負(fù)荷

高溫負(fù)荷也叫高溫電壓老煉。按GJB360B方法108進(jìn)行試驗(yàn)：選取合適的夾具，把電容器正確安裝在夾具上，將其置于恒溫箱中，保持箱內(nèi)溫度為85℃±2℃，并在電容器兩端施加額定工作電壓（試驗(yàn)過(guò)程中可通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電容器的高溫漏電流），試驗(yàn)進(jìn)行48h，待電容器殼體恢復(fù)至低于35℃時(shí)再斷電，試驗(yàn)結(jié)束后，取出樣品并對(duì)其進(jìn)行放電。

注意事項(xiàng)：①給電容器施加電壓時(shí)，要從零開(kāi)始緩慢增加，斷電壓時(shí)，也要緩慢減小，否則電源電壓的突變所產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖可能會(huì)損傷器件；②經(jīng)過(guò)高溫電壓老煉后要求殼溫冷卻至低于35℃時(shí)才給樣品斷電，否則由于在高溫?zé)o電場(chǎng)作用下，可移動(dòng)離子會(huì)做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使得器件已失效的性能恢復(fù)正常，從而掩蓋曾經(jīng)失效的現(xiàn)象；③老煉結(jié)束后需對(duì)樣品徹底放電，且老煉后要及時(shí)測(cè)量，否則某些老煉時(shí)超差的參數(shù)會(huì)恢復(fù)到原來(lái)數(shù)值，因此測(cè)試一般要求在試驗(yàn)結(jié)束后96h內(nèi)完成，不能測(cè)試完成的電容器需重做24h老煉后再測(cè)試；④老煉過(guò)程中的中斷處理：如果老煉最后8h有大于10min的斷電，則需再做8h老煉，其他時(shí)間停電，則停多久就補(bǔ)做同樣時(shí)間的老煉。

2.2.5 常溫復(fù)測(cè)

其測(cè)試方法同2.2.2常溫測(cè)試一致。

2.2.6 外觀復(fù)查

其檢驗(yàn)方法同2.2.1外觀初查一致。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)二次篩選試驗(yàn)后，CA351系列電容器不合格品批次數(shù)情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，6個(gè)CA351系列型號(hào)的非固體鉭電解電容器，經(jīng)過(guò)二次篩選試驗(yàn)后有5個(gè)型號(hào)出現(xiàn)了不合格品。其中，出現(xiàn)不合格品的批次占比最小為5.1%，最大已超過(guò)30%，說(shuō)明該系列電容器在不同型號(hào)電壓的不同批次有較大概率出現(xiàn)不合格品的情況。還有一個(gè)型號(hào)并未出現(xiàn)不合格情況，也是符合實(shí)際的，但并不意味這個(gè)型號(hào)不存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，鑒于同系列其他型號(hào)出現(xiàn)不合格品的概率較高，也要對(duì)該型號(hào)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。

表1 CA351 系列電容器不合格品批次數(shù)情況統(tǒng)計(jì)表

從各個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)來(lái)看不合格品情況，見(jiàn)表2。每個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)均能夠篩選出早期失效產(chǎn)品，可見(jiàn)篩選試驗(yàn)是有效的，且從圖1的CA351系列電容器不合格品批次數(shù)中各試驗(yàn)環(huán)節(jié)占比圖可看出在最后的常溫復(fù)測(cè)環(huán)節(jié)中，出現(xiàn)不合格品的批次數(shù)量最多，占總不合格品批次數(shù)的67%，這說(shuō)明有質(zhì)量缺陷的電容器在經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)和高溫負(fù)荷試驗(yàn)后，其潛在缺陷逐漸累積，并最終暴露。

表2 CA351 系列電容器各試驗(yàn)環(huán)節(jié)不合格品批次數(shù)情況統(tǒng)計(jì)表

圖1 CA351 系列電容器不合格品批次數(shù)中各試驗(yàn)環(huán)節(jié)占比圖

按非固體鉭電解電容器的失效模式統(tǒng)計(jì)，不合格品數(shù)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。從電容器不合格品數(shù)量分布情況來(lái)看，不合格率約為0.4%～2.1%，即每100只樣品中可能出現(xiàn)1只到2只不合格，其失效模式主要表現(xiàn)為漏電流超限（電參數(shù)超差），其次是短路失效，最后為引腳損傷（外觀不合格）。從二次篩選試驗(yàn)結(jié)果整體來(lái)看，發(fā)現(xiàn)失效電容器主要是在經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)和高溫負(fù)荷試驗(yàn)后或者在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)漏電流超限和短路失效兩種失效模式，可見(jiàn)溫度循環(huán)和高溫負(fù)荷試驗(yàn)針對(duì)剔除非固體鉭電解電容器的這兩種失效模式的效果是非常明顯的。

表3 CA351 系列電容器不合格品數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

4 失效原因分析

一般電容器的失效是其內(nèi)因決定，由外因引發(fā)。對(duì)非固體鉭電解電容器而言，內(nèi)因主要是制造電容器的Ta2O5介質(zhì)氧化膜的原材料和制造工藝帶來(lái)各種宏觀和微觀的缺陷，也可能由于環(huán)境溫度、化學(xué)腐蝕、應(yīng)力等外因造成介質(zhì)膜的損傷，其介質(zhì)膜在不斷受到這些外部激勵(lì)的作用，當(dāng)介質(zhì)膜缺陷積累擴(kuò)大到一定程度時(shí)，電容器就發(fā)生失效[4]。

溫度循環(huán)作為環(huán)境應(yīng)力，考察非固體鉭電解電容器在短期內(nèi)反復(fù)承受極端高低溫變化的能力，以及經(jīng)過(guò)極端溫度交替突變的環(huán)境考驗(yàn)，從而誘導(dǎo)激發(fā)出因材料熱脹冷縮性能不匹配、內(nèi)引線和管芯涂料溫度系數(shù)不匹配、接觸不良等原因而造成的早期失效，并剔除早期失效產(chǎn)品，從而提高非固體鉭電解電容器的使用可靠性，達(dá)到質(zhì)量控制的目的。

高溫負(fù)荷是環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力的疊加，電應(yīng)力本身能將受篩的非固體鉭電解電容器中某些缺陷加速發(fā)展成為故障，篩選出的故障中，有50%左右的故障是在環(huán)境應(yīng)力下才能發(fā)現(xiàn)的間歇故障，必須在篩選環(huán)境應(yīng)力作用下通過(guò)電檢測(cè)才能找出來(lái)。因此，通過(guò)高溫負(fù)荷試驗(yàn)，可以剔除那些介質(zhì)材料有明顯缺陷、漏電流過(guò)大、耐壓強(qiáng)度低的非固體鉭電解電容器。并且，因?yàn)榉枪腆w鉭電解電容器本身的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)高溫負(fù)荷試驗(yàn)，還能夠修補(bǔ)非固體鉭電解電容器在制造工藝中造成的Ta2O5介質(zhì)膜損傷[5]，從而使得電容器的性能更加趨于穩(wěn)定，提高電容器的可靠性，達(dá)到質(zhì)量控制的目的。

5 質(zhì)量控制措施

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，非固體鉭電解電容器在經(jīng)過(guò)二次篩選之后多次出現(xiàn)失效，其失效模式主要表現(xiàn)為漏電流超限（電參數(shù)超差），其次為短路失效。為提高其可靠性，提出以下質(zhì)量控制措施。

（1）進(jìn)行針對(duì)性的二次篩選。針對(duì)非固體鉭電解電容器主要的兩種失效模式，二次篩選可選擇溫度循環(huán)和高溫負(fù)荷兩種應(yīng)力。這對(duì)剔除電容器的早期失效產(chǎn)品是非常高效且經(jīng)濟(jì)的篩選應(yīng)力，是提高非固體鉭電解電容器使用可靠性的有效措施之一。

（2）選擇高質(zhì)量等級(jí)元器件。二次篩選具有一定的局限性和風(fēng)險(xiǎn)性，篩選只能提高批產(chǎn)品的使用可靠性，不能提高它的固有可靠性。因此，研發(fā)部門(mén)在選擇非固體鉭電解電容器時(shí)，應(yīng)根據(jù)整機(jī)設(shè)備的質(zhì)量與可靠性要求，盡量選擇相應(yīng)的高質(zhì)量等級(jí)的電容器，從本質(zhì)上保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量控制效果。

（3）動(dòng)態(tài)管控質(zhì)量信息數(shù)據(jù)。對(duì)非固體鉭電解電容器質(zhì)量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，最大限度地對(duì)其質(zhì)量信息進(jìn)行跟蹤，將結(jié)果反饋至科研生產(chǎn)、采購(gòu)和檢驗(yàn)部門(mén)。該措施可通過(guò)質(zhì)量管理部門(mén)牽頭組織，檢驗(yàn)試驗(yàn)部門(mén)和科研生產(chǎn)部門(mén)協(xié)作，收集包括其他元器件在內(nèi)的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)，建立元器件優(yōu)選庫(kù)體系，從源頭上有效控制質(zhì)量。

6 結(jié)語(yǔ)

以此類推，二次篩選對(duì)其他可篩選元器件的質(zhì)量控制同樣有效，二次篩選試驗(yàn)項(xiàng)目種類很多，每種應(yīng)力都針對(duì)著一定的失效模式，只要合理選擇合適的篩選方法，對(duì)剔除早期失效元器件很有效。