【導(dǎo)讀】可靠性是當(dāng)今市場(chǎng)上所有電子產(chǎn)品的一個(gè)重要考慮因素。盡管并非所有的應(yīng)用都是安全關(guān)鍵或任務(wù)關(guān)鍵的應(yīng)用，但即使是最簡(jiǎn)單的消費(fèi)類設(shè)備，其后的品牌也需要有良好的用戶評(píng)論來(lái)保持它們的聲譽(yù)。在元器件選擇階段作出明智選擇，可以幫助確保產(chǎn)品在預(yù)期壽命內(nèi)正確工作。
設(shè)計(jì)人員的選擇標(biāo)準(zhǔn)
在選擇電容器時(shí)，容積效率、頻率穩(wěn)定性、工作溫度， 或等效串聯(lián)電阻（ESR）等特性往往是決定技術(shù)選擇的主要因素。在這些情況下，了解哪些因素會(huì)影響壽命，可以幫助工程師確保產(chǎn)品提供所需的可靠性。另一方面，長(zhǎng)工作壽命可能是最終產(chǎn)品的一個(gè)關(guān)鍵要求，并會(huì)最終決定器件的選擇。電容器的制造工藝（如材料純度與制程工藝的管控，生產(chǎn)過(guò)程中的在線篩選）可提供更好的可靠性保證，而允許工程師減少電路內(nèi)電容器的數(shù)量，從而在不損害可靠性的情況下，減少解決方案的尺寸和成本。
電容特性
例如，我們知道，用金屬化聚酯或聚丙烯薄膜制成的電容器（圖1）具有長(zhǎng)工作壽命。高壓或高溫特性使這些器件非常適合于汽車電子或電燈鎮(zhèn)流器等應(yīng)用，而自修復(fù)特性有助于克服電介質(zhì)中可能引起短路故障的微小缺陷的效應(yīng)。另一方面，隨著這些缺陷的修復(fù)，總可用容量開(kāi)始下降，等效串聯(lián)電阻（ESR）開(kāi)始上升。這最終決定了器件的壽命。采用高質(zhì)量的材料和電介質(zhì)制造工藝可以最大限度地減少對(duì)自修復(fù)的依賴。在新型能源應(yīng)用中，為了最大限度地降低能量損失，我們特別希望ESR降低。 KEMET公司在這類應(yīng)用中已經(jīng)能夠證實(shí)即使是在70℃或以上的工作溫度下此類薄膜電容器可達(dá)到幾十年的工作壽命。
圖1. 聚丙烯薄膜電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
鋁電容器包含許多不同類型的結(jié)構(gòu)，其中每種結(jié)構(gòu)的壽命性能都非常不同。例如，電解液電容器的磨損機(jī)制非常明確、顯而易見(jiàn)。電解質(zhì)呈弱酸性，因此會(huì)隨時(shí)間分解電介質(zhì)。另一方面，電解質(zhì)也提供了電介質(zhì)重新生長(zhǎng)所需的氧。這就是我們必須要考慮未通電鋁電解液電容器（無(wú)論是在貨架上還是在電路板上）“貨架期”的原因。一個(gè)有趣的情況是，直徑為30mm或以上的鋁電容器往往會(huì)采用更加中性而非酸性的電解質(zhì)，因此在相對(duì)適度的環(huán)境下貨架期可以有二至四年。當(dāng)然，這些數(shù)字會(huì)隨每個(gè)產(chǎn)品系列中所用的電解質(zhì)而改變。
另一方面，固態(tài)“鋁聚合物”或“有機(jī)聚合物”電容器的壽命特性非常不同。這些器件（例如KEMET公司的AO-CAP®電容器）的成品中沒(méi)有液態(tài)電解質(zhì)。相反，陰極是固態(tài)的導(dǎo)電高分子材料。因此，它們?cè)陬~定條件下具有超長(zhǎng)的工作壽命——可接近于其他的固態(tài)電容。一些數(shù)據(jù)手冊(cè)根據(jù)1000小時(shí)工作后的電容變化、ESR和外觀等特性，描述了這些類型的器件的耐久性。請(qǐng)注意，這1000小時(shí)并不代表電容器的工作壽命。相反，該耐久性測(cè)試與通常用于評(píng)估認(rèn)證無(wú)源元件的各種加速壽命測(cè)試相類似。
就商業(yè)級(jí)陶瓷電容器而言，典型的電極系統(tǒng)是使用鎳的賤金屬電極（BME）系統(tǒng)（圖2）。相比于早期的貴金屬電極（PME）系統(tǒng)，BME可以承受更高的電壓。現(xiàn)時(shí)流行的X7R和X5R型電介質(zhì)基于鈦酸鋇制造，并添加了諸如二氧化錳的添加劑 — 這些添加劑可與BME化學(xué)成分共存，并防止電容器制造過(guò)程中燒結(jié)工藝中可能造成的電介質(zhì)的還原。電介質(zhì)成分的不斷改進(jìn)極大提高了陶瓷電容器的可靠性和壽命。KEMET公司的一項(xiàng)研究成果 發(fā)現(xiàn)，即使在惡劣條件下，BME陶瓷電容器也可輕易達(dá)到數(shù)十年的壽命。
圖2. 結(jié)合鎳基BME和摻雜鈦酸鋇電介質(zhì)的X5R和X7R多層陶瓷電容器（MLCC）。
鉭電容器的可靠性
用五氧化二鉭電介質(zhì)制作的電容器具有超長(zhǎng)的工作壽命。鉭電容作為一種全固態(tài)器件，磨損期極長(zhǎng)。鉭基器件最常見(jiàn)的故障是所謂的“開(kāi)機(jī)”故障。這在施加階躍電壓而電容器能夠吸收大初始電流的情況下可能發(fā)生。這會(huì)激活電介質(zhì)中的缺陷。如果電介質(zhì)無(wú)法修復(fù)，該缺陷會(huì)引起器件故障。聚合物鉭器件能夠從明顯的自修復(fù)能力中獲益，對(duì)這類故障具有良好的抵御性。KEMET公司的研究成果表明，該類電容器的壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年甚至是數(shù)千年。這可能比電容器結(jié)構(gòu)中所用的其它材料（如環(huán)氧樹(shù)脂）的壽命要長(zhǎng)得多。
電容器制造商往往會(huì)通過(guò)對(duì)鉭電容進(jìn)行測(cè)試（例如有控制的電壓和電流沖擊測(cè)試），來(lái)篩選踢除質(zhì)量可能較差的器件。然而，值得注意的是，電容器組成材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）之間的失配會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，從而削弱電容器的可靠性。因此，電容器在最終的電路組裝過(guò)程中所經(jīng)受的回流焊條件和回流次數(shù)可能會(huì)對(duì)器件故障的易發(fā)程度產(chǎn)生影響。
另一方面，器件的額定電壓與實(shí)際工作施加電壓比值，通常會(huì)顯著影響電容器的壽命。因此，聚合物鉭電容器近期的開(kāi)發(fā)致力于實(shí)現(xiàn)更高的定額電壓（如63V及以上），以供常用的電源電壓（如24V或28V航空電子電源軌）使用。
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