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通过增强材料技术提升电容器寿命

时间:2016-05-27 作者:James C. Lewis , 基美电子公司 阅读:
可靠性是当今市场上所有电子产品的一个重要考虑因素。在元器件选择阶段作出明智选择,可以帮助确保产品在预期寿命内正确工作。

可靠性是当今市场上所有电子产品的一个重要考虑因素。尽管并非所有的应用都是安全关键或任务关键的应用,但即使是最简单的消费类设备,其后的品牌也需要有良好的用户评论来保持它们的声誉。在元器件选择阶段作出明智选择,可以帮助确保产品在预期寿命内正确工作。

设计人员的选择标准

在选择电容器时,容积效率、频率稳定性、工作温度,或等效串联电阻(ESR)等特性往往是决定技术选择的主要因素。在这些情况下,了解哪些因素会影响寿命,可以帮助工程师确保产品提供所需的可靠性。另一方面,长工作寿命可能是最终产品的一个关键要求,并会最终决定器件的选择。电容器的制造工艺(如材料纯度与制程工艺的管控,生产过程中的在线筛选)可提供更好的可靠性保证,而允许工程师减少电路内电容器的数量,从而在不损害可靠性的情况下,减少解决方案的尺寸和成本。

电容特性

例如,我们知道,用金属化聚酯或聚丙烯薄膜制成的电容器(图1)具有长工作寿命。高压或高温特性使这些器件非常适合于汽车电子或电灯镇流器等应用,而自修复特性有助于克服电介质中可能引起短路故障的微小缺陷的效应。另一方面,随着这些缺陷的修复,总可用容量开始下降,等效串联电阻(ESR)开始上升。这最终决定了器件的寿命。采用高质量的材料和电介质制造工艺可以最大限度地减少对自修复的依赖。在新型能源应用中,为了最大限度地降低能量损失,我们特别希望ESR降低。 KEMET公司在这类应用中已经能够证实即使是在70℃或以上的工作温度下此类薄膜电容器可达到几十年的工作寿命。

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图1. 聚丙烯薄膜电容器的内部结构。

铝电容器包含许多不同类型的结构,其中每种结构的寿命性能都非常不同。例如,电解液电容器的磨损机制非常明确、显而易见。电解质呈弱酸性,因此会随时间分解电介质。另一方面,电解质也提供了电介质重新生长所需的氧。这就是我们必须要考虑未通电铝电解液电容器(无论是在货架上还是在电路板上)“货架期”的原因。一个有趣的情况是,直径为30mm或以上的铝电容器往往会采用更加中性而非酸性的电解质,因此在相对适度的环境下货架期可以有二至四年。当然,这些数字会随每个产品系列中所用的电解质而改变。

另一方面,固态“铝聚合物”或“有机聚合物”电容器的寿命特性非常不同。这些器件(例如KEMET公司的AO-CAP®电容器)的成品中没有液态电解质。相反,阴极是固态的导电高分子材料。因此,它们在额定条件下具有超长的工作寿命——可接近于其他的固态电容。一些数据手册根据1000小时工作后的电容变化、ESR和外观等特性,描述了这些类型的器件的耐久性。请注意,这1000小时并不代表电容器的工作寿命。相反,该耐久性测试与通常用于评估认证无源元件的各种加速寿命测试相类似。

就商业级陶瓷电容器而言,典型的电极系统是使用镍的贱金属电极(BME)系统(图2)。相比于早期的贵金属电极(PME)系统,BME可以承受更高的电压。现时流行的X7R和X5R型电介质基于钛酸钡制造,并添加了诸如二氧化锰的添加剂 — 这些添加剂可与BME化学成分共存,并防止电容器制造过程中烧结工艺中可能造成的电介质的还原。电介质成分的不断改进极大提高了陶瓷电容器的可靠性和寿命。KEMET公司的一项研究成果 发现,即使在恶劣条件下,BME陶瓷电容器也可轻易达到数十年的寿命。

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图2. 结合镍基BME和掺杂钛酸钡电介质的X5R和X7R多层陶瓷电容器(MLCC)。

钽电容器的可靠性

用五氧化二钽电介质制作的电容器具有超长的工作寿命。钽电容作为一种全固态器件,磨损期极长。钽基器件最常见的故障是所谓的“开机”故障。这在施加阶跃电压而电容器能够吸收大初始电流的情况下可能发生。这会激活电介质中的缺陷。如果电介质无法修复,该缺陷会引起器件故障。聚合物钽器件能够从明显的自修复能力中获益,对这类故障具有良好的抵御性。KEMET公司的研究成果表明,该类电容器的寿命可长达数百年甚至是数千年。这可能比电容器结构中所用的其它材料(如环氧树脂)的寿命要长得多。

电容器制造商往往会通过对钽电容进行测试(例如有控制的电压和电流冲击测试),来筛选踢除质量可能较差的器件。然而,值得注意的是,电容器组成材料的热膨胀系数(CTE)之间的失配会产生应力,从而削弱电容器的可靠性。因此,电容器在最终的电路组装过程中所经受的回流焊条件和回流次数可能会对器件故障的易发程度产生影响。

另一方面,器件的额定电压与实际工作施加电压比值,通常会显著影响电容器的寿命。因此,聚合物钽电容器近期的开发致力于实现更高的定额电压(如63V及以上),以供常用的电源电压(如24V或28V航空电子电源轨)使用。

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