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(wèn)題，特別在開(kāi)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?yàn)殂g電容失效模式的危險(xiǎn)性，讓很多研發(fā)技術(shù)人員都不敢再使用鉭電容了。其實(shí)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(méi)有那么可怕。畢竟鉭電容的好處是顯而易見(jiàn)的。鉭電容失效的原因總的來(lái)說(shuō)可以分為鉭電容本身的質(zhì)量問(wèn)題和電路設(shè)計(jì)問(wèn)題兩大類(lèi)，質(zhì)量問(wèn)題先不考慮，本次我們先來(lái)解析一下電路設(shè)計(jì)問(wèn)題。

電路設(shè)計(jì)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(hào)特點(diǎn)。但是,往往我們不能保證上述兩項(xiàng)工作都做的很到位。因此,在使用過(guò)程中就必然會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的失效問(wèn)題;現(xiàn)簡(jiǎn)單總結(jié)如下：

1. 低阻抗電路使用電壓過(guò)高導(dǎo)致的失效

對(duì)于鉭電容器使用的電路，只有兩種：有電阻保護(hù)的電路和沒(méi)有電阻保護(hù)的低阻抗電路。

對(duì)于有電阻保護(hù)的電路,由于電阻會(huì)起到降壓和抑制大電流通過(guò)的效果。因此,使用電壓可以達(dá)到鉭電容器額定電壓的 60%。

沒(méi)有電阻保護(hù)的電路有兩種：

一、前級(jí)輸入已經(jīng)經(jīng)過(guò)整流和濾波, 輸出穩(wěn)定的充放電電路.在此類(lèi)電路,電容器被當(dāng)作放電電源來(lái)使用,由于輸入參數(shù)穩(wěn)定沒(méi)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(dá)到額定電壓的 50%都可以保證相當(dāng)高的可靠性。

二、電子整機(jī)的電源部分。電容器并聯(lián)使用在此類(lèi)電路, 除了要求對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波外,往往同時(shí)還兼有按照一定頻率和功率進(jìn)行放電的要求. 因?yàn)槭?a href="http://www.ttokpm.com/soft/data/4-5/" target="_blank">電源電路, 因此,此類(lèi)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(lèi)開(kāi)關(guān)電源電路中 [也叫 DC-DC 電路], 在每次開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)的瞬間,電路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間小于 1 微秒的高強(qiáng)度尖峰脈沖,其脈沖電壓值至少可以達(dá)到穩(wěn)定的輸入值的 3 倍以上,電流可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的10 倍以上。由于持續(xù)時(shí)間極短,因此,其單位時(shí)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(shí)實(shí)際加在產(chǎn)品上的脈沖電壓就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)產(chǎn)品的額定值而被擊穿。因此,使用在此類(lèi)電路中的鉭電解電容器容許的使用電壓不能超過(guò)額定值的 1/3. 如果不分電路的回路阻抗類(lèi)型,一概降額 50%, 在回路阻抗最低的 DC-DC 電路,一開(kāi)機(jī)就有可能瞬間出現(xiàn)擊穿短路或爆炸現(xiàn)象.在此類(lèi)電路中使用的電容器應(yīng)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?yàn)殡娐纷杩垢叩涂梢詻Q定開(kāi)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(yīng)該越多。對(duì)于降額幅度大小,切不可一概而論. 必須經(jīng)過(guò)精確的可靠性計(jì)算來(lái)確定降額幅度。

2.電路峰值輸出電流過(guò)大(使用電壓合適)

鉭電容器在工作時(shí)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(xué)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(guò)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(guò)高和電路中交流紋波過(guò)高導(dǎo)致的失效

當(dāng)某只 ESR 過(guò)高的鉭電容器使用在存在過(guò)高交流紋波的濾波電路,即使是使用電壓遠(yuǎn)低于 應(yīng)該的降額幅度, 有時(shí)候,在開(kāi)機(jī)的瞬間仍然會(huì)發(fā)生突然的擊穿現(xiàn)象; 出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題的主要 原因是電容器的 ESR 和電路中的交流紋波大小嚴(yán)重不匹配. 電容器是極性元?dú)饧?在通過(guò)交 流紋波時(shí)會(huì)發(fā)熱,而不同殼號(hào)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(guò)使用的電容器可以安全承受的交流紋波值,產(chǎn)品 就會(huì)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(shí)際 ESR 值過(guò)高,產(chǎn)品也會(huì)出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。

一般來(lái)說(shuō),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(duì)于電路中 存在的交流紋波過(guò)高而導(dǎo)致的電容器失效問(wèn)題,很多電路設(shè)計(jì)師都忽略其危害性或認(rèn)識(shí)不夠. 只是簡(jiǎn)單認(rèn)定電容器質(zhì)量存在問(wèn)題. 此現(xiàn)象很多。

4 . 鉭電容器漏電流偏大導(dǎo)致實(shí)際耐壓不夠

此問(wèn)題的出現(xiàn)一般都由于鉭電容器的實(shí)際耐壓不夠造成.當(dāng)電容器上長(zhǎng)時(shí)間施加一定場(chǎng)強(qiáng)時(shí), 如果其介質(zhì)層的絕緣電阻偏低,此時(shí)產(chǎn)品的實(shí)際漏電流將偏大.而漏電流偏大的產(chǎn)品,實(shí)際耐壓就會(huì)下降。

出現(xiàn)此問(wèn)題的另外一個(gè)原因是關(guān)于鉭電容器的漏電流標(biāo)準(zhǔn)制定的過(guò)于寬松,導(dǎo)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(shí)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(huì)成指數(shù)倍增加,因此其高溫下的實(shí)際耐壓就會(huì)大幅度下降. 在使用溫度較高時(shí)就會(huì)非常容易出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

高溫時(shí)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(biāo)之一,因此,此指標(biāo)對(duì)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(shí)際上它已經(jīng)是廢品,出問(wèn)題因此成為必然.

5 .鉭電容器使用時(shí)的生產(chǎn)過(guò)程因素導(dǎo)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(shè)計(jì),而對(duì)于貼片鉭電容安裝使用時(shí)容易出現(xiàn)的問(wèn)題視而不見(jiàn)，舉例如下：

A, 不使用自動(dòng)貼裝而使用手工焊接, 產(chǎn)品不加預(yù)熱,直接使用溫度高于300度的電烙鐵較長(zhǎng) 時(shí)間加熱電容器,導(dǎo)致電容器性能受到過(guò)高溫度沖擊而失效.

B,手工焊接不使用預(yù)熱臺(tái)加熱,焊接時(shí)一出現(xiàn)冷焊和虛焊就反復(fù)使用烙鐵加熱產(chǎn)品.

C,使用的烙鐵頭溫度甚至達(dá)到 500 度. 這樣可以焊接很快,但非常容易導(dǎo)致片式元?dú)饧А?/p>

貼片鉭電容實(shí)際使用時(shí)的可靠性實(shí)際上可以通過(guò)計(jì)算得出來(lái),而我們的很多用戶使用時(shí)設(shè)計(jì) 余量不夠,魯棒性很差,小批實(shí)驗(yàn)通過(guò)純屬僥幸,在批生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)一致性質(zhì)量問(wèn)題. 此時(shí),問(wèn)題 原因往往簡(jiǎn)單被推到電容器生產(chǎn)商身上,忽略對(duì)設(shè)計(jì)可靠性的查找. 鉭電容器使用時(shí)的無(wú)故 障間隔時(shí)間 MTBF 對(duì)于很多用戶來(lái)講還是一個(gè)陌生的概念. 很多使用者對(duì)可靠性工程認(rèn)識(shí) 膚淺.過(guò)于重視實(shí)驗(yàn)而忽略數(shù)學(xué)計(jì)算. 導(dǎo)致分電路設(shè)計(jì)可靠性比整機(jī)可靠性低,因此,批量生 產(chǎn)時(shí)不斷出現(xiàn)問(wèn)題. 不懂得失效是一個(gè)概率問(wèn)題,非簡(jiǎn)單的個(gè)體問(wèn)題.實(shí)際上鉭電容器使用時(shí) 容易出現(xiàn)的故障原因和現(xiàn)象還很多, 無(wú)法在此一一論述.如果有使用時(shí)的新問(wèn)題,可以及時(shí)交流。