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[摘 要]本文以武器型号中最常用的钽电解电容器的失效为例，全面分析了造成钽电容失效的六种情况，最终给出了本例中出现钽电容失效的原因。
[关键词]武器型号;钽电容器;失效分析
中图分类号：TP501 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）14-0039-02
在现代战争中，武器装备的信息化水平的高低决定着战争的成败。以电子信息技术为核心技术的革命在使世界处于军事技术革命之中。电子元器件是武器装备的最基本的组成单元，其性能和质量，决定了武器装备的性能和质量。武器型号中使用的电子元器件数量越来越多，武器型号使用的元器件的质量与可靠性要求也越来越高。而武器装备中的电子设备可靠性高低无疑是直接影响武器的性能关键。随着我国电子元器件工业基础水平的逐步提高，元器件生产单位在设计、原材料选用、工艺、生产制造等过程的质量控制水平有所提高。然而，与当前武器型号的高可靠的要求相比，国产电子元器件的质量与可靠性还需进一步提高。片式电容器作为三大片式无源电子元件之首，是电子设备的基础元件，被广泛应用于高频电路中。
电子元器件的可靠性已成为军事科技发展的关键，在现代武器装备中的作用日益重要，其可靠性水平对国防建设的重要性是不言而喻的。在器件的失效分析和机理、可靠性检测技术、可靠性评价与试验技术等方面开展了一系列研究工作，并取得了一些研究成果。
电子元器件失效分析的目的是借助各种分析测试技术，确认其失效现象、分辨其失效模式和失效机理，确定其最终失效原因，提出改进设计和制造工艺的建议，防止失效的重复出现，提高元器件可靠性。失效分析对元器件的生产和使用都具有重要的意义。
某武器型号的滤波电路在整机调试阶段失效，结合上面的失效分析思路且根据设计师经验，很快锁定了失效的钽电解电容，它的外形已经出现烧焦的黑点。如图1所示。
一般来说，出现钽电容击穿失效后，造成失效的原因有以下六个方面：一、生产线控制问题;二、产品设计耐压问题;三、参数指标问题;四、氧化膜存在固有缺陷;五、产品受到破坏;六、电路本身设计问题。
第一方面，生产线控制问题。
由于此失效钽电容的供应商为集团公司合格供方，而且本所与其长期合作，并且本批次并未出现大批量击穿失效。厂家反馈本批次所用的生产线、生产、测试、质量控制人员并未变动，都是持证上岗，第一个原因基本排除。
第二产品设计耐压问题的分析。
由钽电容的结构原理，可以知道钽电容之所以具有储能和滤波的性能是因为其介电层为无定型的五氧化二钽有单向导电性。钽电容可以储存的电容量C与介质层的厚度d及介质层的面积A之间的关系如下式：
C=（ε0εrA）/d
ε0是真空中的介质常数（8.855×10-12法拉/米）
εr是五氧化二钽的相对介质常数=27×10-12法拉/米
d是金属中电介质的厚度，单位是米
C是电容量，单位法拉
A是表面积，单位是米2
当电容量一定时，其能够承受的场强高低取决于介质层的厚度d及其质量的好坏。
本例的使用的钽电容是本所常用的型号，并且此批次也经过其他的设计师验证过的。基本上，钽电容的设计原理上应该没有问题。
第四种情况，产品氧化膜存在固有缺陷。
片式钽电容氧化膜是在生产过程中的赋能工序形成，任何钽电容器的氧化膜都不是完美的，都会存在瑕疵，这也是钽电容器都会有漏电流存在的原因。
钽电容器一般都认为是一种性能优良，使用寿命长的电容元件，其失效率正常时可达七级。它符合电子元器件的失效普遍规律，即浴盆失效率曲线。前期失效可在老炼过程中剔除。而本例中不是这种情况，可以排除。
第五种情况，产品受到破坏。
由于我单位有严格的生产工艺和流程控制体系，而且完成组装之后的验收图片显示其外观正常，产品本身受到破坏的情况可以排除。
第六种情况，失效电路的分析。
此次失效的钽电容用于下面的滤波电路，它的电路图如图2所示。其中，C1为失效的钽电解电容，其额定电压为50V，用于+28V电压的滤波电路。图中R=10Ω，C1=4.7μF，C2=0.01μF。本电路是典型的滤波电路。
在电容的使用方面，美军标明确规定了串联3Ω/V的电阻来增加电路设计的可靠性。而此电容器所处的电路，R=10Ω的电阻值与28V的电压相比，显然未达到3Ω/V的要求。本例钽电解电容的失效的原因是电路的设计不当，对钽电容的降额使用不当，进而引起短路，造成电容击穿失效。电流引起电容器表面局部过热击穿失效，电容器过电流与电容器的串联电阻太小有关，引起瞬间大电流，导致电容器钽块棱角局部击穿短路。
为了进一步确认失效原因的推断，我们对失效钽电容的封装结构进行剥离，获得了失效钽电容的击穿位置的30倍显微镜放大图。
从图上3的钽块上的失效点位置来看，失效点都集中在钽块棱角或棱边上。一方面，电容的工作电路中串联电阻（R=10Ω）过小，容易产生大电流，尤其是放电电流。钽电容器的微观结构决定了钽块在承受过大的瞬时充、放电电流时，容易产生局部大电流而导致该部位的介质过热击穿短路;另一方面，电路中的高频电流分量引起电容器表面电流大;再者，在钽块表面，棱角、边缘由于壓坯工艺，可引起孔结构不同，孔多、比容大、散热较差，所以电流密度更大，引起表面局部过电流从而导致过热击穿。
结论：本文对我单位的一个武器型号中的滤波电路的片式钽电解电容器的失效情况进行分析，排除了可能造成干扰的原因，最终确定是滤波电路本身设计问题造成钽电容过流击穿失效。
参考文献
[1]Prymak John D. Conductive polymer cathodes--the latest step in declining ESR in tantalum capacitors[A] Conference Proceedings-IEEE .2000.661-667
[2]陈国光.电解电容器[M].西安交通大学出版社，1984：1-196.
[3]曲喜新.固体钽电解电容器的失效机理[J].电子元件与材料，1988（04）：22-23.
作者简介
刘后培，男 ，出生年（1983-），山东省菏泽市人，汉族，职称：（助理工程师），学历：（硕士），研究方向：（电子元器件可靠性），单位名称：（上海无线电设备研究所），单位所在省市：（上海市），单位邮编（201100）。
（周宏雷）单位（上海无线电设备研究所）。
（丁勇）单位（上海无线电设备研究所）。
[关键词]武器型号;钽电容器;失效分析
中图分类号：TP501 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）14-0039-02
在现代战争中，武器装备的信息化水平的高低决定着战争的成败。以电子信息技术为核心技术的革命在使世界处于军事技术革命之中。电子元器件是武器装备的最基本的组成单元，其性能和质量，决定了武器装备的性能和质量。武器型号中使用的电子元器件数量越来越多，武器型号使用的元器件的质量与可靠性要求也越来越高。而武器装备中的电子设备可靠性高低无疑是直接影响武器的性能关键。随着我国电子元器件工业基础水平的逐步提高，元器件生产单位在设计、原材料选用、工艺、生产制造等过程的质量控制水平有所提高。然而，与当前武器型号的高可靠的要求相比，国产电子元器件的质量与可靠性还需进一步提高。片式电容器作为三大片式无源电子元件之首，是电子设备的基础元件，被广泛应用于高频电路中。
电子元器件的可靠性已成为军事科技发展的关键，在现代武器装备中的作用日益重要，其可靠性水平对国防建设的重要性是不言而喻的。在器件的失效分析和机理、可靠性检测技术、可靠性评价与试验技术等方面开展了一系列研究工作，并取得了一些研究成果。
电子元器件失效分析的目的是借助各种分析测试技术，确认其失效现象、分辨其失效模式和失效机理，确定其最终失效原因，提出改进设计和制造工艺的建议，防止失效的重复出现，提高元器件可靠性。失效分析对元器件的生产和使用都具有重要的意义。
某武器型号的滤波电路在整机调试阶段失效，结合上面的失效分析思路且根据设计师经验，很快锁定了失效的钽电解电容，它的外形已经出现烧焦的黑点。如图1所示。
一般来说，出现钽电容击穿失效后，造成失效的原因有以下六个方面：一、生产线控制问题;二、产品设计耐压问题;三、参数指标问题;四、氧化膜存在固有缺陷;五、产品受到破坏;六、电路本身设计问题。
第一方面，生产线控制问题。
由于此失效钽电容的供应商为集团公司合格供方，而且本所与其长期合作，并且本批次并未出现大批量击穿失效。厂家反馈本批次所用的生产线、生产、测试、质量控制人员并未变动，都是持证上岗，第一个原因基本排除。
第二产品设计耐压问题的分析。
由钽电容的结构原理，可以知道钽电容之所以具有储能和滤波的性能是因为其介电层为无定型的五氧化二钽有单向导电性。钽电容可以储存的电容量C与介质层的厚度d及介质层的面积A之间的关系如下式：
C=（ε0εrA）/d
ε0是真空中的介质常数（8.855×10-12法拉/米）
εr是五氧化二钽的相对介质常数=27×10-12法拉/米
d是金属中电介质的厚度，单位是米
C是电容量，单位法拉
A是表面积，单位是米2
当电容量一定时，其能够承受的场强高低取决于介质层的厚度d及其质量的好坏。
本例的使用的钽电容是本所常用的型号，并且此批次也经过其他的设计师验证过的。基本上，钽电容的设计原理上应该没有问题。
第四种情况，产品氧化膜存在固有缺陷。
片式钽电容氧化膜是在生产过程中的赋能工序形成，任何钽电容器的氧化膜都不是完美的，都会存在瑕疵，这也是钽电容器都会有漏电流存在的原因。
钽电容器一般都认为是一种性能优良，使用寿命长的电容元件，其失效率正常时可达七级。它符合电子元器件的失效普遍规律，即浴盆失效率曲线。前期失效可在老炼过程中剔除。而本例中不是这种情况，可以排除。
第五种情况，产品受到破坏。
由于我单位有严格的生产工艺和流程控制体系，而且完成组装之后的验收图片显示其外观正常，产品本身受到破坏的情况可以排除。
第六种情况，失效电路的分析。
此次失效的钽电容用于下面的滤波电路，它的电路图如图2所示。其中，C1为失效的钽电解电容，其额定电压为50V，用于+28V电压的滤波电路。图中R=10Ω，C1=4.7μF，C2=0.01μF。本电路是典型的滤波电路。
在电容的使用方面，美军标明确规定了串联3Ω/V的电阻来增加电路设计的可靠性。而此电容器所处的电路，R=10Ω的电阻值与28V的电压相比，显然未达到3Ω/V的要求。本例钽电解电容的失效的原因是电路的设计不当，对钽电容的降额使用不当，进而引起短路，造成电容击穿失效。电流引起电容器表面局部过热击穿失效，电容器过电流与电容器的串联电阻太小有关，引起瞬间大电流，导致电容器钽块棱角局部击穿短路。
为了进一步确认失效原因的推断，我们对失效钽电容的封装结构进行剥离，获得了失效钽电容的击穿位置的30倍显微镜放大图。
从图上3的钽块上的失效点位置来看，失效点都集中在钽块棱角或棱边上。一方面，电容的工作电路中串联电阻（R=10Ω）过小，容易产生大电流，尤其是放电电流。钽电容器的微观结构决定了钽块在承受过大的瞬时充、放电电流时，容易产生局部大电流而导致该部位的介质过热击穿短路;另一方面，电路中的高频电流分量引起电容器表面电流大;再者，在钽块表面，棱角、边缘由于壓坯工艺，可引起孔结构不同，孔多、比容大、散热较差，所以电流密度更大，引起表面局部过电流从而导致过热击穿。
结论：本文对我单位的一个武器型号中的滤波电路的片式钽电解电容器的失效情况进行分析，排除了可能造成干扰的原因，最终确定是滤波电路本身设计问题造成钽电容过流击穿失效。
参考文献
[1]Prymak John D. Conductive polymer cathodes--the latest step in declining ESR in tantalum capacitors[A] Conference Proceedings-IEEE .2000.661-667
[2]陈国光.电解电容器[M].西安交通大学出版社，1984：1-196.
[3]曲喜新.固体钽电解电容器的失效机理[J].电子元件与材料，1988（04）：22-23.
作者简介
刘后培，男 ，出生年（1983-），山东省菏泽市人，汉族，职称：（助理工程师），学历：（硕士），研究方向：（电子元器件可靠性），单位名称：（上海无线电设备研究所），单位所在省市：（上海市），单位邮编（201100）。
（周宏雷）单位（上海无线电设备研究所）。
（丁勇）单位（上海无线电设备研究所）。