钽电容失效的原因

引言  

经常碰到很多客户讨论钽电容爆炸问题，特别在开关电源、LED电源等行业，钽电容烧毁或爆炸是令研发技术人员最头痛的，让他们百思不得其解。正因为钽电容失效模式的危险性， 让很多研发技术人员都不敢再使用钽电容了，其实如果我们能够全面的了解钽电容的特性， 找到钽电容失效（表现形式为烧毁或爆炸）的原因，钽电容并没有那么可怕。毕竟钽电容的好处是显而易见的。

钽电容失效的原因总的来说可以分为钽电容本身的质量问题和电路设计，问题两大类：电路设计和产品选型。

要求钽电容的产品性能参数可以满足电路信号特点，但是,往往我们不能保证上述两项工作 都做的很到位,因此,在使用过程中就必然会出现这样那样的失效问题;现简单总结如下。

1. 低阻抗电路使用电压过高导致的失效  

对于钽电容器使用的电路,只有两种;有电阻保护的电路和没有电阻保护的低阻抗电路. 对于有电阻保护的电路,由于电阻会起到降压和抑制大电流通过的效果,因此,使用电压可以达到钽电容器额定电压的60%. 没有电阻保护的电路有两种;

一;前级输入已经经过整流和滤波, 输出稳定的充放电电路.在此类电路,电容器被当作放电电源来使用,由于输入参数稳定没有浪涌,因此,尽管是低阻抗电路,可安全使用的电压仍然可以达到额定电压的50%都可以保证相当高的可靠性. 二;电子整机的电源部分;电容器并联使用在此类电路, 除了要求对输入的信号进行滤波外,往往同时还兼有按照一定频率和功率进行放电的要求. 

因为是电源电路, 因此,此类电路的回路阻抗非常低,以保证电源的输出功率密度足够. 在此类开关电源电路中 [也叫 DC-DC 电路], 在每次开机和关机的瞬间,电路中会产生一个持续时间小于 1 微秒的高强度尖峰脉冲,其脉冲电压值至少可以达到稳定的输入值的 3 倍以上,电流可以达到稳态值的10 倍以上,由于持续时间极短,因此,其单位时间内的能量密度非常高, 如果电容器的使用电压偏高,此时实际加在产品上的脉冲电压就会远远超过产品的额定值而被击穿. 因此,使用在此类电路中的钽电解电容器容许的使用电压不能超过额定值的 1/3. 

如果不分电路的回路阻抗类型,一概降额 50%, 在回路阻抗最低的 DC-DC 电路,一开机就有可能瞬间出现击穿短路 或爆炸现象.在此类电路中使用的电容器应该降额多少,一定要考虑到电路阻抗值的高低和 输入输出功率的大小和电路中存在的交流纹波值的高低.因为电路阻抗高低可以决定开关瞬间浪涌幅度的大小。内阻越低的电路降额幅度就应该越多。对于降额幅度大小,切不可一概而论. 必须经过精确的可靠性计算来确定降额幅度.

2.电路峰值输出电流过大(使用电压合适)  

钽电容器在工作时可以安全承受的最大直流电流冲击 I,与产品自身等效串联电阻 ESR 及额定电压 UR 存在如下数学关系;

I=UR/1 ESR

如果一只容量偏低的钽电容器使用在峰值输出电流很大的电路,这只产品就有可能由于电流过载而烧毁.这非常容易理解.

3. 钽电容器等效串联电阻ESR过高和电路中交流纹波过高导致的失效  

当某只 ESR 过高的钽电容器使用在存在过高交流纹波的滤波电路,即使是使用电压远低于应该的降额幅度, 有时候,在开机的瞬间仍然会发生突然的击穿现象; 出现此类问题的主要原因是电容器的 ESR 和电路中的交流纹波大小严重不匹配. 电容器是极性元气件,在通过交 流纹波时会发热,而不同壳号大小的产品能够维持热平衡的容许发热量不同.由于不同容量的产品的 ESR 值相差较高,因此,不同规格的钽电容器能够安全耐受的交流纹波值也相差很大, 因此,如果某电路中存在的交流纹波超过使用的电容器可以安全承受的交流纹波值,产品就会出现热致击穿的现象.同样,如果电路中的交流纹波一定,而选择的钽电容器的实际 ESR 值过高,产品也会出现相同的现象.

一般来说,在滤波和大功率充放电电路,必须使用 ESR 值尽可能低的钽电容器. 对于电路中存在的交流纹波过高而导致的电容器失效问题,很多电路设计师都忽略其危害性或认识不够. 只是简单认定电容器质量存在问题. 此现象很多.

4 . 钽电容器漏电流偏大导致实际耐压不够  

此问题的出现一般都由于钽电容器的实际耐压不够造成.当电容器上长时间施加一定场强时, 如果其介质层的绝缘电阻偏低,此时产品的实际漏电流将偏大.而漏电流偏大的产品,实际耐压就会下降.

出现此问题的另外一个原因是关于钽电容器的漏电流标准制定的过于宽松,导致有些根本不具备钽电解电容器生产能力的公司在生产质量低劣的钽电容器. 普通的室温时漏电流就偏大的产品,如果工作在较高的温度下,其漏电流会成指数倍增加,因此其高温下的实际耐压就会大幅度下降. 在使用温度较高时就会非常容易出现击穿现象.

高温时漏电流变化较小是所有电容器生产商努力的最重要目标之一,因此,此指标对可靠性的决定性影响不言而愈.如果你选择使用的钽电容器的漏电流偏大,实际上它已经是废品,出问题因此成为必然.

5 .钽电容器使用时的生产过程因素导致的失效  

很多用户往往只注意到钽电容器性能的选择和设计,而对于贴片钽电容安装使用时容易出现的问题视而不见;举例如下;

A, 不使用自动贴装而使用手工焊接, 产品不加预热,直接使用温度高于300度的电烙铁较长 时间加热电容器,导致电容器性能受到过高温度冲击而失效.

B,手工焊接不使用预热台加热,焊接时一出现冷焊和虚焊就反复使用烙铁加热产品.

C,使用的烙铁头温度甚至达到 500 度. 这样可以焊接很快,但非常容易导致片式元气件失效.

贴片钽电容实际使用时的可靠性实际上可以通过计算得出来,而我们的很多用户使用时设计余量不够,鲁棒性很差,小批实验通过纯属侥幸,在批生产时出现一致性质量问题. 

此时,问题 原因往往简单被推到电容器生产商身上,忽略对设计可靠性的查找. 钽电容器使用时的无故 障间隔时间 MTBF 对于很多用户来讲还是一个陌生的概念. 很多使用者对可靠性工程认识 肤浅.过于重视实验而忽略数学计算. 导致分电路设计可靠性比整机可靠性低,因此,批量生 产时不断出现问题. 不懂得失效是一个概率问题,非简单的个体问题.实际上钽电容器使用时 容易出现的故障原因和现象还很多, 无法在此一一论述.如果有使用时的新问题,可以及时交流.

钽电容质量问题  

目前来说 AVX 和 KEMET 两个品牌算是一线品牌，占了市场份额很大，其质量好，当然价格也是最贵的。国内也有几家生产钽电容的工厂，但因为生产工艺和原材料质量问题，与 AVX 和 KEMET 的质量相差还是非常大的，国产钽电容的 ESR 普遍要高一个等级。钽电容器如果性能不过关,其可靠性不光很低,而且非常容易失效.因此,选择正确且合适的产品是保证可靠性的首要条件.? 质量差的钽电容器如果被装到电路上,与安装了一个小炸弹没有什么区别. 如果不能保证你选择的产品质量绝对过硬,我建议你不要使用钽电容器.特别是在DC-DC电路和大功率充 放电电路.

如何识别 AVX 钽电容假货？  

很多采购朋友对 AVX 钽电容假货问题非常头痛，贴片钽电容假货让他们伤透了脑筋。在百度查了下，类似贴片钽电容假货、AVX 钽电容假货、识别钽电容假货这样问题的人很多。答案也是五花八门，都不是很理想，有些还会误导大家。那么有没有一个简单的方法来识别 钽电容假货呢？带着这个目的，根据自己以往处理客诉的经验，跟大家分享以下五点，相信会对你有所帮助。

1. 钽电解电容焊脚形状，原装 AVX 钽电容焊脚正极跟负极不一样，正极的为“凹”型， 也就是凹进去的，负极的是“口”型。

2. 编带上的印字，把货拆开，透明的编带上面大概每间隔 25CM 有打 AVX 的印字（是机器直接凹印上去的，没有颜色的），假货编带一般没有印 AVX 字的。

3. 贴片钽电容本体印字内容。钽电容本体印字分上下两行，包括了 AVX 的 LOGO 标识、容量值、电压值、生产批号等 4 个信息，这些信息都是缺一不可的，如果对不上一般就是假货 （碰到最多的情况是本体的左上角没有 AVX 的 LOGO 标识）。钽电容封装尺寸大的，印字也会看得清晰点，有 AVX 钽电容规格尺寸太小，要借助放大镜才能看清楚。

4. 贴片钽电容本体印字的一致性和质量，很多翻新的 AVX 钽电容从以上三点是看不出它是假货的，因为它是用原装的旧货或者折机货或低压货（低一个电压低档，比如用 10V 的给你当 16V 的用）重新打磨后印字上去的，这个时候就要从本体印字的成色和一致性来判断了，翻新货的印字在内容和版式上与原装的不会有区别，但毕竟没有原厂的设备和模具好， 所以细节上还是有明细的区别。这些细节的区别分两个方面，一方面是成色，翻新的颜色一 般要偏深红色一些而且深浅不一；另一方面是一致性，原装的一致性很好，印的字方方正正， 翻新的会出现东倒西歪，本体之间相互比较感觉就像两个模具印出来的一样（是模具精度不 好造成的）。—–对于这一点，要正确、快速的判断出来是有一定难度的，这与个人的经验有一定关系。

5. 查规格书：如果你要的规格是规格书上如果没有的，那你买到假货的机率是非常大。规格书上没有的规格虽然不敢说原厂 100%不生产，至少说明不是常用的规格，代理商那肯定是没有库存的（不会有代理商会去订一些偏门的物料作库存），要订货的话，订货周期、最小订货量、预付款比例都是一般客户不能接受的。所以我们建议客户在选型的时候一定要选择标准品，选择非标品到最后只会将自己搞死。

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