非固体钽电解电容二次筛选方法及其质量控制

唐莎莎

中国电子科技集团公司第七研究所，广东广州，510310

0 引言

非固体钽电解电容器具有电性能优良、工作温度范围宽、耐浪涌能力强等特点，在通信、航天等领域被广泛应用。然而在实际应用中，非固体钽电解电容器失效率相对较高，同时军工企业对产品的可靠性有更为严格的要求，因此电子元器件需在装机使用前进行二次筛选，以提高其使用可靠性。本文以CA351系列非固体钽电解电容器为例，对其进行二次筛选，详细介绍二次筛选试验程序及方法，统计试验数据，分析二次筛选对剔除非固体钽电解电容器早期失效产品、提高使用可靠性的质量控制效果，分析失效原因，并提出质量控制措施。

1 二次筛选

元器件的二次筛选也叫补充筛选，是为进一步提高元器件的使用可靠性，元器件使用方或其委托单位在承制方筛选的基础上而进行的筛选。元器件生产厂家出厂前进行的筛选称为“成品筛选”或“一次筛选”；元器件的“二次筛选”是相对于“一次筛选”来说的，其试验目的和方法基本相同，二次筛选是在一次筛选的基础上剪裁而成。

之所以要进行二次筛选工作，主要是由于元器件在生产过程中难免会受到产品的材料因素、结构特点、工艺条件或人为因素等影响，导致总有部分产品存在各种潜在的缺陷，使得产品无法达到预期的固有可靠性水平。因此，需要通过各种环境应力、电应力、机械应力等应力筛选试验，剔除元器件的早期失效产品。

由于电子元器件结构各异，都各自有其特点，其功能及物理特性也千差万别，而二次筛选的筛选应力也多种多样，因此，对于各种元器件的二次筛选均无统一标准。在试验的过程中，只要保证所选择的筛选应力在无过应力且不给器件带来新的失效模式的前提下，并且能够尽早激发出产品的某些潜在缺陷或失效模式，就可以认为所选择的筛选应力是有效的。对于不同电子元器件进行可靠性筛选时所需的应力水平可通过反复试验来确定，为达到相同的目的，若应力水平高一些，则所需筛选时间一般就会短一些。在选择筛选应力时主要遵循以下原则：

①筛选应力类型应选择能激发早期失效的应力，根据不同产品所掌握的信息及失效机理来确定；

②筛选应力以能激发出产品的早期失效为宗旨，使产品各种隐患和缺陷尽快暴露出来；

③筛选应力不应使正常产品失效，即不能过筛；

④筛选应力去掉后，不应使产品留下残余应力或影响产品的使用寿命；

⑤应力筛选试验持续时间应以能充分暴露早期失效为原则。

2 非固体钽电解电容器的二次筛选试验程序及方法

本文选取CA351系列型号非固体钽电解电容器作为研究对象，根据其结构、性能特点以及筛选经验，制定合适的试验程序及方法对其进行100%二次筛选。

2.1 试验程序

非固体钽电解电容器的筛选程序及其筛选项目为：外观初查→常温初测→温度循环→高温负荷→常温复测→外观复查。

2.2 试验方法

2.2.1 外观初查

通过目视或用5～10倍放大镜检查外观：电容器表面不应有漏液或漏液的痕迹；其主体不应有变形、破损；引出端不应有损伤、松动、裂纹、压伤、锈蚀和裸露基体金属现象；产品型号规格、日期等标识应清楚、正确，锡包处应无缺损、无开裂、表面无凸起、边缘无锡渣，极性标识清晰。

2.2.2 常温初测

在常温下，进行主要电性能参数测试，主要包含电容量、漏电流的测试。测试条件按产品规范或采用如下方法测试：电容量和漏电流在测量之前需对电容器进行放电，电容量测试[1]条件：使用交流电压频率100～120Hz，电压有效值0.5V，同时施加1V的直流偏置。漏电流测试[1]条件：测试电压为额定工作电压，最长充电时间5min，并在5min末时记录读数。如果能在较短时间内到达规定的漏电流极限值，则无需充电5min。注意事项：测试过程中严禁电容器正负极反接，测试结束后需彻底放电。

2.2.3 温度循环

根据温度循环试验筛选机理[2]，按GJB360B方法107进行试验，试验操作有“单箱法”和“两箱法”两种方法，筛选方可根据实验室现有硬件条件选择任意一种方法。

“单箱法”[3]：a）将样品置于合适的容器中，并保持合适的间距，放置于温度冲击箱内，试验温度下限温度设定为-55℃，上限温度设定为125℃；b）使样品先在-55℃±3℃中保持30min，然后在125℃±3℃中保持30min，中间转换时间不应超过3min，进行5次循环；c）试验结束后，将样品取出，在室温下恢复16小时[1]后进行主要电参数（电容量、漏电流）测试，测试方法按照2.2.2操作。

“两箱法”[3]：a）将试验样品置于低温箱中，此时，低温箱的温度已调至器件下限温度-55℃±3℃，并在该温度下保持30min；b）在3min内将试验样品从低温箱移至高温箱中。此时，高温箱的温度已经调至器件的上限温度125℃±3℃，并在该温度下保持30min；c）在3min内将试验样品从高温箱移至低温箱中。重复2.2.3 a）规定的试验；d）试验循环5次，重复2.2.3 a）至2.2.3 b）步骤。当试验样品从一个试验箱转换到另一个试验箱时，不应承受强制的循环气流。e）试验结束后，将样品取出，在室温下恢复16小时[1]后进行主要电参数（电容量、漏电流）测试，测试方法按照2.2.2操作。

注意事项：①由于试验样品的温度受到它本身的热容量及热惯性的影响，不能等同于试验箱热量的输出，但是电容器的体积小，热容量也比较小，能够比较快地达到热平衡要求，因此，试验箱温度稳定后，可认为试验样品也达到规定的试验温度；②温度循环试验一般规定先低温后高温，最后在高温中结束，以避免在低温时出箱器件壳体表面产生凝露。

2.2.4 高温负荷

高温负荷也叫高温电压老炼。按GJB360B方法108进行试验：选取合适的夹具，把电容器正确安装在夹具上，将其置于恒温箱中，保持箱内温度为85℃±2℃，并在电容器两端施加额定工作电压（试验过程中可通过试验设备实时监测电容器的高温漏电流），试验进行48h，待电容器壳体恢复至低于35℃时再断电，试验结束后，取出样品并对其进行放电。

注意事项：①给电容器施加电压时，要从零开始缓慢增加，断电压时，也要缓慢减小，否则电源电压的突变所产生的瞬时脉冲可能会损伤器件；②经过高温电压老炼后要求壳温冷却至低于35℃时才给样品断电，否则由于在高温无电场作用下，可移动离子会做无规则运动，使得器件已失效的性能恢复正常，从而掩盖曾经失效的现象；③老炼结束后需对样品彻底放电，且老炼后要及时测量，否则某些老炼时超差的参数会恢复到原来数值，因此测试一般要求在试验结束后96h内完成，不能测试完成的电容器需重做24h老炼后再测试；④老炼过程中的中断处理：如果老炼最后8h有大于10min的断电，则需再做8h老炼，其他时间停电，则停多久就补做同样时间的老炼。

2.2.5 常温复测

其测试方法同2.2.2常温测试一致。

2.2.6 外观复查

其检验方法同2.2.1外观初查一致。

3 试验结果分析

经过二次筛选试验后，CA351系列电容器不合格品批次数情况统计见表1。由表1可见，6个CA351系列型号的非固体钽电解电容器，经过二次筛选试验后有5个型号出现了不合格品。其中，出现不合格品的批次占比最小为5.1%，最大已超过30%，说明该系列电容器在不同型号电压的不同批次有较大概率出现不合格品的情况。还有一个型号并未出现不合格情况，也是符合实际的，但并不意味这个型号不存在质量风险，鉴于同系列其他型号出现不合格品的概率较高，也要对该型号进行质量监控。

表1 CA351 系列电容器不合格品批次数情况统计表

从各个试验环节来看不合格品情况，见表2。每个试验环节均能够筛选出早期失效产品，可见筛选试验是有效的，且从图1的CA351系列电容器不合格品批次数中各试验环节占比图可看出在最后的常温复测环节中，出现不合格品的批次数量最多，占总不合格品批次数的67%，这说明有质量缺陷的电容器在经过温度循环和高温负荷试验后，其潜在缺陷逐渐累积，并最终暴露。

表2 CA351 系列电容器各试验环节不合格品批次数情况统计表

图1 CA351 系列电容器不合格品批次数中各试验环节占比图

按非固体钽电解电容器的失效模式统计，不合格品数量统计见表3。从电容器不合格品数量分布情况来看，不合格率约为0.4%～2.1%，即每100只样品中可能出现1只到2只不合格，其失效模式主要表现为漏电流超限（电参数超差），其次是短路失效，最后为引脚损伤（外观不合格）。从二次筛选试验结果整体来看，发现失效电容器主要是在经过温度循环和高温负荷试验后或者在试验过程中出现漏电流超限和短路失效两种失效模式，可见温度循环和高温负荷试验针对剔除非固体钽电解电容器的这两种失效模式的效果是非常明显的。

表3 CA351 系列电容器不合格品数量统计表

4 失效原因分析

一般电容器的失效是其内因决定，由外因引发。对非固体钽电解电容器而言，内因主要是制造电容器的Ta2O5介质氧化膜的原材料和制造工艺带来各种宏观和微观的缺陷，也可能由于环境温度、化学腐蚀、应力等外因造成介质膜的损伤，其介质膜在不断受到这些外部激励的作用，当介质膜缺陷积累扩大到一定程度时，电容器就发生失效[4]。

温度循环作为环境应力，考察非固体钽电解电容器在短期内反复承受极端高低温变化的能力，以及经过极端温度交替突变的环境考验，从而诱导激发出因材料热胀冷缩性能不匹配、内引线和管芯涂料温度系数不匹配、接触不良等原因而造成的早期失效，并剔除早期失效产品，从而提高非固体钽电解电容器的使用可靠性，达到质量控制的目的。

高温负荷是环境应力和电应力的叠加，电应力本身能将受筛的非固体钽电解电容器中某些缺陷加速发展成为故障，筛选出的故障中，有50%左右的故障是在环境应力下才能发现的间歇故障，必须在筛选环境应力作用下通过电检测才能找出来。因此，通过高温负荷试验，可以剔除那些介质材料有明显缺陷、漏电流过大、耐压强度低的非固体钽电解电容器。并且，因为非固体钽电解电容器本身的材料和结构特点，通过高温负荷试验，还能够修补非固体钽电解电容器在制造工艺中造成的Ta2O5介质膜损伤[5]，从而使得电容器的性能更加趋于稳定，提高电容器的可靠性，达到质量控制的目的。

5 质量控制措施

根据试验结果分析可知，非固体钽电解电容器在经过二次筛选之后多次出现失效，其失效模式主要表现为漏电流超限（电参数超差），其次为短路失效。为提高其可靠性，提出以下质量控制措施。

（1）进行针对性的二次筛选。针对非固体钽电解电容器主要的两种失效模式，二次筛选可选择温度循环和高温负荷两种应力。这对剔除电容器的早期失效产品是非常高效且经济的筛选应力，是提高非固体钽电解电容器使用可靠性的有效措施之一。

（2）选择高质量等级元器件。二次筛选具有一定的局限性和风险性，筛选只能提高批产品的使用可靠性，不能提高它的固有可靠性。因此，研发部门在选择非固体钽电解电容器时，应根据整机设备的质量与可靠性要求，尽量选择相应的高质量等级的电容器，从本质上保证和提高产品的质量控制效果。

（3）动态管控质量信息数据。对非固体钽电解电容器质量信息数据进行统计和分析，并实行动态管理，最大限度地对其质量信息进行跟踪，将结果反馈至科研生产、采购和检验部门。该措施可通过质量管理部门牵头组织，检验试验部门和科研生产部门协作，收集包括其他元器件在内的质量信息数据，建立元器件优选库体系，从源头上有效控制质量。

6 结语

以此类推，二次筛选对其他可筛选元器件的质量控制同样有效，二次筛选试验项目种类很多，每种应力都针对着一定的失效模式，只要合理选择合适的筛选方法，对剔除早期失效元器件很有效。