汽车用聚合物钽电容.docx
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汽车用聚合物钽电容
汽车用聚合物钽电容器
1、前言
以高分子聚合物材料作为阴极的钽电容器其使用范围正在日益扩大，由于这类阴极钽电容器具有众多优势，目前已在许多工业领域中得到应用。
此项技术最初只是在消费类电子领域如笔记本电脑和台式电脑中得到快速的使用。
随之在一个短暂的时期内，一些企业和基础设施工业领域开始在许多不同的应用范围中广泛的使用此项技术。
在过去的五年时间里，聚合物钽电容器在医疗、航空电子和军用的设计中得到大量的使用，也就是在过去的十五年里，在规定性能和可靠性等级的前提条件下，这些设备在这些领域中已经得到应用。
如今，聚合物钽电容器制造商把他们的视线放在下一个增长的领域---汽车制造业。
部分使用者正寻求着一种更新的技术，这种技术不仅能提供优越的性能，而且依然能满足极端环境和使用条件的要求，这些条件在汽车电子委员会AECQ-200文件中的无源电容器规范中有描述。
从实质上说，导电聚合物如PPY和PEDOT已经成为钽电容器优选的聚合物材料。
如今这些聚合物为钽电容器的可制造性、性能和可靠性提供最优组合，目前几乎100%的钽电容器制造工艺都在使用。
然而，在过去的至少15年里，已经证实聚合物电容器并不具备持续通过某些环境试验条件的能力，而对于MnO2片式钽电容器来说，通过这些条件可以说是轻而易举。
这些被聚合物技术视为极具挑战的试验条件包括有高温和高湿（试验温度125°C和相对湿度85°C/85%）。
正是由于聚合物钽电容器在产品性能方面存在缺陷，因此对有高温高湿使用需求的工业部门来说，MnO2片式钽电容器仍是首选的电容器。
当然，期望在不久的将来使聚合物钽电容器具有在150°C到200°C条件下应用的能力还是不太现实，但是此类电容器通过AECQ-200要求的可能性即将实现。
表1AECQ-200钽电容器要求：
MnO2和聚合物阴极性能对比
AECQ-200D版钽&陶瓷电容器试验项目表
试验项目
试验条件
MnO2
聚合物
高温储存
125°C，无偏置，1000小时
✔
✘
温度循环
-55°C到125°C，循环次数1000次
✔
✔
耐湿试验
85°C，85%RH，偏置，1000小时
✔
✘
寿命试验
125°C，偏置，1000小时
✔
✘
耐溶剂试验
Mil-Std-202，Meth.215
✔
✔
机械冲击
Mil-Std-202，Meth.213，CondF
✔
✔
振动
Mil-Std-202,Meth.208，5G’s-20min
✔
✔
耐焊接热
Mil-Std-202，Meth.210，CondD
✔
✔
ESD
AEC-Q200-002或ISO/DIS10605
✔
✔
可焊性
J-STD-002
✔
✔
引线强度
AECQ200-006
✔
✔
2、试验要求需求与电容器性能的对比
汽车工业对125°C额定电压钽电容器的关注点主要集中在施加电压下钽电容器通过1000小时寿命试验和1000小时无偏置（储存）寿命试验上。
大多数电路设计者都宣称，并不真正期望贴装在电路上的钽电容器在寿命期间暴露在125°C环境下。
然而，所设计的不能充分满足AECQ-200文件全部要求的电容器还需要在汽车工业内通过不断地努力以积累所需的认可，以便能将电容器应用其中，与AECQ-200文件要求有异议的地方必须要文件化，并且需提交专门的认可。
如果对85°C/85%RH性能感兴趣，钽电容器应采用与125°C性能相类似的试验途径。
经常有报道，这种耐湿试验条件是一种加速试验条件，当钽电容器长时间的暴露在有温度和湿度的环境下，可用于评估其腐蚀特性。
对于其他电容器技术来说，可接受加速因子一般意味着，如果电容器通过85°C/85%RH、1000小时试验条件，则在未来的五到十年期间，如果将电容器放置在大多数实际的温度和湿度条件下，电容器是具有耐受环境条件能力的。
但是无论如何，也就是在最近几年，汽车工业之外的其他工业已经开始采用这种试验条件，这种试验条件将日趋常态化。
对于聚合物钽电容器来说，大量的讨论是关于85°C/85%RH试验条件与现实使用条件的。
通常，当聚合物电容器试图通过85°C/85%RH、1000小时试验条件时，实际上这些电容器已经可以在许多条件下有效的使用多年，期间不会出现任何系统性的问题。
有一些应用要求聚合物钽电容器在潮湿环境使用五到十年甚至更长的时间，这包括诸如基站、交通信号、航空、电子广告牌、汽车（有客舱的）、商业海运、工业照明和工业机械应用等类似的应用。
两种试验即寿命试验所带来的问题是，这两种试验具有一种能够使产品产生失效的潜在可能性，而在大多数实际环境条件下这种失效是不会观察到的，只有电容器处于这种试验状态且经过长时间、有效的运行之后才能被证实。
尽管聚合物钽电容器制造商做出尝试，引导聚合物电容器产业远离85°C/85%RH试验，取而代之的是使用如40°C/95%RH或是60°C/90%RH的条件，但是考虑到大多数其他的电容器技术对85°C/85%RH试验条件并不敏感，因此有意将其予以保留。
3、125°C性能的实现
随着时间的推移，当温度超过85°C极限会显示出，高温对聚合物钽电容器的DF和ESR造成影响。
在电容器制造商证明当产品在偏置和无偏置条件下具有通过2000小时、105°C（有一些的电容器可以经过125°C的条件）试验条件的性能时，为了增加试验后DF和ESR的检测测量值，经常需要增加电容器的定量供应。
当这些电容器在85°C到105°C这样一个固定的温度下持续使用时，DF和ESR将会持续地增加。
给定充足时间后，这些特性能达到一个特定值，在这个值下，钽电容器将不能正常地使用。
在高温下将聚合物暴露在空气中（初始氧），聚合物将会出现氧化反应，从而导致钽电容器的DF和ESR增加。
在不存在氧的条件下（惰性环境下），将聚合物单独暴露在125°C并不会对聚合物有明显的影响，这样就为125°C性能电容器的生产提供了一种思路。
为了应对挑战，聚合物钽电容器面临着要通过125°C寿命试验，因此必须要提高电容器的结构才能降低聚合物氧化的速率，这样才能有更稳定的性能通过1000小时的寿命试验。
首先，提高性能要以包改善封作为关注点，改善后的包封可以减缓或是阻碍热空气与聚合物层接触。
通过减缓或是阻碍热空气到达聚合物层，聚合物的氧化将在1000小时试验过程中减小或是消除，从而满足试验要求。
要证实经过这种特殊设计并能通过125°C寿命试验的钽电容器其性能有所改善，试验组和控制组所用的样品是来自用于生产此类产品的标准生产线组织生产的。
对于试验组，在生产线上增加了特殊的加工工序，目的是强化包封以减缓聚合物氧化速率。
其他生产工序与控制组相同。
选择用于评价的钽电容器是6.3V220uF，EIA壳号代码是3528-20（B壳）。
选择的ESR值是45毫欧，这是一个中间范围值的产品。
试验所用样品选自这两组，通过两次无铅回流焊将其贴装在电路板上，然后进行125°C寿命试验，试验期间依据AECQ-200文件要求施加0.67Vr电压。
在整个1000小时的试验期间，在0、250、500和1000小时的时间段上监测产品的容量、DF、ESR和漏电流性能。
在高温寿命试验期间评价电容量的性能时，钽电容器的容量值一般在试验初始到250小时这一时间内是呈降低趋势。
容量值的降低是由于电容器在高温试验期间出现外加烘干所导致的。
随着烘干的进一步发生，可以观察到在500小时和1000小时容量值的降低不再明显。
然而，当进一步在聚合物阴极钽电容器上进行125°C寿命试验时，其他特性会出现不同的运行状态。
图1125°C寿命试验，1000小时@0.67Vr，控制组，容量
图2125°C寿命试验，1000小时@0.67Vr，试验组，容量
图1和图2清楚显示出整个试验期间两个试验组在容量上的差异。
在评价控制组的过程中，可以观察到，相对于多数样品，有一小部分样品在250小时和500小时其容量值会出现更为明显的降低。
同样也观察到，相对于多数样品，这一小部分样品的DF和ESR值则出现明显的增加。
这种引起容量值进一步下降的原因是由于聚合物出现氧化所致，如同活性不强的聚合物与电介质接触。
为什么会有一小部分电容器出现加速氧化现象，这与电容器的包封状态不无关系。
比起大多数电容器，这一小部分变化地更快的电容器其环氧包封并不完好，这种不完整包封状态会使导电聚合物层更容易地接触到外部环境。
经过1000小时，控制组中几乎所有的电容器都经历氧化过程，这种氧化过程表明经过1000小时的试验，产品不具有满足要求的能力。
差不多有10%的电容器有容量损失超过50%的现象（控制线设定至50%）出现，因此将包封缺陷严重并出现一定程度氧化的电容器用醒目的颜色突显出来。
图3125°C寿命试验，1000小时@0.67Vr，控制组，DF
图4125°C寿命试验，1000小时@0.67Vr，试验组，DF
图5125°C寿命试验，1000小时@0.67Vr，控制组，ESR
相比较，试验组证明在整个1000小时试验期间性能更加稳定。
烘干效果从试验初始到250小时的测量均可以观察到，但是，所有的电容器都未出现明显的降级。
在500小时和1000小时，小部分产品开始显现加速偏移。
这一部分电容器显示出与控制组所观察到一小部分加速偏移的产品相类似的现象，因此表明在这些极端严酷的环境中改善包封对于暴露时间依然有限。
然而，试验组需要经历更多的暴露时间才能达到控制组的降级水平，同时降级速度在整个总体中非常缓慢，并在整个1000小时的试验期间依然维持在规格限之内。
图6125°C寿命试验，1000小时@0.67Vr，试验组，ESR
由于在分析过程中考虑到DF和ESR之间相似的性能，因此可以将其合并成同一论点进行讨论。
图3到图6显示出试验组和控制组的DF和ESR性能。
如同容量的结果，可以在控制组中清晰地观察到聚合物层的125°C下的效果。
那种包封不好的电容器很快地会因聚合物出现衰变而开始出现DF和ESR增加的现象。
值得注意的是在每一个监视时间段上，都会有电容器达到氧化程度，并且数量均表现出持续增加。
通过试验结论可知，几乎70%的电容器都有聚合物被氧化的现象。
相比之下，经过1000小时的试验，试验组在DF和ESR方面显示出明显的改善。
一小部分样品在1000小时测试下开始出现聚合物早期氧化信号，同时试验组开始出现轻微地氧化加速现象。
一些电容器会轻微偏移出初始限，这种偏移较小，有可能通过由顾客所确定的后测限定值。
通常钽电容器漏电流在电路板贴装之后显示最高。
在偏置条件下经过一段时间后取下电容器，电容器内部会出现电路板贴装过程中所形成的小的电介质瑕疵点，当电流经过这些失效点，由于阴极材料的自我修复性能被激活，电流会被阻止。
在250小时，可以看到在性能良好的电容器中其漏电流有所改善。
电容器持续老化，在500小时和1000小时可以观察到漏电流呈现持续地下降趋势。
在给定的时间周期内，当达到耗损状态，漏电流将开始增加。
通常情况下，在高温应力如125°C条件下，达到耗损状态需要一个较长的时间周期。
然而，在1000小时试验之后不论哪一组都未观察到此状态出现。
图7125°C寿命试验，1000小时@0.67Vr，控制组，漏电流
图8125°C寿命试验，1000小时@0.67Vr，试验组，漏电流
图7和图8显示的两组样品的漏电流性能结果。
控制组通过以上250、500和1000小时漏电流测量减小量的描述显示出一种典型的性能。
然而，可以看到在250小时，对于一小部分样品来说，漏电流降低的速度在加快。
通过以上内容可以看出，同样一组样品的容量在快速下降时，DF和ESR则表现为快速增加。
通过以上发现，可以得出结论，这一组中有少量的样品其漏电流之所以出现大的降幅是与聚合物氧化有关系，因为与电介质接触的聚合物出现氧化，会阻碍电流通过失效疵点的流出。
相比之下，相对于控制组，250小时下试验组的漏电流有类似的下降幅度。
然而，持续的经过500小时和1000小时试验周期，再没有出现个别电容器漏电流快速下降的情况，仅在控制组中观察到有漏电流轻微的降低。
在讨论试验组出现整个漏电流性能偏高的同时，正如上面所讨论的那样，控制组漏电流性能改善的原因是不能确定出理想的产品特的。
4、85°C/85%RH性能的实现
另外，取相同试验组和控制组的聚合物电容器，将其进行1000小时85°C/85%RH的偏置湿度试验。
正如如上所说，试验组设计中所实施的改善其目的是为了提高电容器的包装密实性，以减缓热空气进入电容器的速度。
考虑到钽电容器85°C/85%RH的试验效果，DF和ESR的问题仍值得关注，然而，这种试验条件对聚合物阴极的影响是不同的。
在偏置条件下将暴露的试验条件扩展到85°C/85%RH会导致聚合物阴极出现衰退，而聚合物阴极涉及到作为聚合物“脱掺杂”的导电种类，因此增加了对电极聚合物的电阻率，从而增加了DF和ESR。
氧化物和脱掺杂之间的差异已经超出本文所讨论的范围。
不管机理如何，两种机理所产生的后果是聚合物依然会衰变，这种衰变将导致DF和ESR的增加。
另外，除了要考虑85°C/85%RH试验对聚合物阴极的影响，还要注意控制电容器内任何腐蚀问题的发生，因为在高湿条件，湿气会渗入外壳，引起腐蚀。
如果有足量的湿气渗入进外壳，会发生金属迁移。
如果出现这种状况，将会观察到漏电流增加，这种增加最终可能导致短路失效。
从以前经验看，对短路失效还是有顾虑的，因为短路失效与可信赖组有关，而此可信赖组正是本文开始就提及的正在探寻的85°C/85%RH性能产品。
幸运的是，在高温寿命试验过程中相同设计的改善均是以减缓热气到达阴极的速度，也就是减缓湿气进入产品的速度，从而改善通过85°C/85%RH、1000小时试验要求的设计能力。
至于125°C寿命试验，控制组和试验组使用两遍无铅焊料回流焊接贴装在电路板上，然后放置在85°C/85%RH试验箱中1000小时。
在初始值、250小时、500小时和1000小时下读取容量、DF、ESR和漏电流的测量值。
图9和10图显示出容量的初始特性，可以观察到每个试验组的容量值在试验初始就都呈上升，正如图中250小时所观察到那样。
由于电容器一般在试验初期是干燥的，容量的增加显得很正常，但是在试验阶段吸收湿气，从而增加电容器的有效表面积。
注意在控制组内，那些包封强度并不理想的电容器随着时间的推移其容量会经历一个更加快速的增加的过程。
可以观察到控制组在250小时开始显现类似小“尾巴”的分布。
经过1000小时，样品中大约20%的容量上会有一个超过25%的增加，经测量，有10%的电容器其容量值会有超过50%的增加。
产品容量值出现如此大的增加（>50%）从物理的角度看是不可能的，表明精确测量有问题，这些电容器是进入一种高漏电流状态。
实际上这一小部分电容器在经过1000小时试验后被明确是失效的。
图985°C/85%RH耐湿试验，1000Hrs@0.67Vr，控制组，容量
相比较，试验组经过包封设计的改进之后在整个1000小时试验过程中电容器特性有明显的改善。
当电容器脱离干燥状态，可以观察到从最初到250小时容量仍然有一个预期的增加。
然而，发现样本中的所有电容器在整个1000小时试验期间其包封非常完整，没有发现任何异常的状态。
图1085°C/85%RH耐湿试验，1000Hrs@0.67Vr，试验组，容量
图11到图14所示的是耐湿试验期间DF和ESR的特性。
正如以上所观察的容量特性那样，在250小时测量时控制组中的一小部分子组电容器经历了一个非常快的衰变。
经过1000小时，电容器的DF和ESR两个参数呈快速增加的百分比在不断增加。
直到1000小时试验结束，两组样本均在分布中显示有一个尾部。
然而，控制组会出现一个更大的样本，其DF和ESR衰退的比率更快速。
值得注意的是，经过500小时试验，试验组的衰退并不明显，但是经过1000小时，可以看到脱掺杂部分曾到达样本总数的约5%到10%。
1000小时试验下试验组中的DF和ESR的增加并不严重，应考虑后期测试限定值取决顾客同意的限定值。
总的来说，在85°C/85%RH耐湿试验期间，DF和ESR其稳定性表现出明显的改善，这可以视为试验期间电容器的性能是在一个预期的合理范围之内。
图1185°C/85%RH耐湿试验，1000Hrs@0.67Vr，控制组，DF
图1285°C/85%RH耐湿试验，1000Hrs@0.67Vr，试验组，DF
图1385°C/85%RH耐湿试验，1000Hrs@0.67Vr，控制组，ESR
图1485°C/85%RH耐湿试验，1000Hrs@0.67Vr，试验组，ESR
针对大多数电容器可信赖组，要研究其85°C/85%RH的试验效果，漏电流首先是要经常考虑的工作特性。
正如如上所提及的，多数可靠性工程师最先感兴趣的地方是在试验期间所观察到的腐蚀比率。
对于聚合物钽电容器，腐蚀的效果能通过电容器的漏电流特性观察到。
图15和图16证实在整个1000小时试验期间试验组和控制组的漏电流特性。
由于在电路板贴装过程中部分电容器会产生疵点，通常在电路板贴装之后，聚合物钽电容器的漏电流初始值立即表现出一个较宽的分布。
那些贴装电路板之后漏电流立即显现增加的电容器需要有一个短暂的时间才能触发聚合物的自愈功能，将漏电流值降至未贴装之前的水平。
在随后的250小时高湿偏置试验条件下，由于延长了“老化”时间，一般可以观察到漏电流会出现明显的减小。
在500小时和1000小时，漏电流的增加通常是从导电区域开始一直到电介质表面。
试验期间经常感兴趣的地方是腐蚀率的问题。
正如图15所示，控制组中有一定比率的电容器经过250小时试验后发现漏电流在增加。
在1000小时，控制组已经有一个相当大的尾部，此尾部已经达到或是正接近失效。
相比较，通过试验组（图16）的电容器证明出，250小时试验之后漏电流会有一个缓慢的、连续的增加速度，这种漏电流的增加没有可能出现那种即将发生的预期失效。
对于试验组，漏电流特性的改善与减缓湿气进入电容器的速度这一特殊工艺有很大关系。
通过控制湿气到达电介质的程度，腐蚀问题可以在1000小时试验过程中得到控制。
图1585°C/85%RH耐湿试验，1000Hrs@0.67Vr，控制组，漏电流
图1685°C/85%RH耐湿试验，1000Hrs@0.67Vr，试验组，漏电流
5、结论
正是基于现有的其效果可以满足AECQ-200文件中所规定的所有要求的特殊设计实施在聚合物钽电容器上，从而一种满足全部要求的设计方案唾手可得。
很明显，需要通过提高标准产品设计，以此来减小极端外部环境在试验期间对聚合物阴极和金属迁移的影响。
以上试验已证明，通过1000小时125°C寿命试验以及85°C/85%RH耐湿试验这一个严酷试验条件来设计聚合物钽电容器是有可能的。
可以预见在不久的将来，当确定出工艺和材料并进入大规模生产阶段时，将可以生产出完全满足AECQ-200要求的聚合物钽电容器。
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