一、现象及原因
某PCBA在用户使用过程中，发现某一钽电容器冒烟烧损，如图1所示。
图1
经过观察外观和分析，冒烟起火是由钽电容器内部有短路现象导致的。
二、钽电容简介
1.钽电容
钽电容全称是钽电解电容，也属于电解电容的一种，使用金属钽做介质，不像普通电解电容那样使用电解液，钽电容不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸绕制，本身几乎没有电感，但这也限制了它的容量。此外，由于钽电容内部没有电解液，很适合在高温下工作。 这种独特自愈性能，保证了其长寿命和可靠性的优势。固体钽电容器电性能优良，工作温度范围宽，而且形式多样，体积效率优异，具有其独特的特征：钽电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。此层氧化膜介质与组成电容器的一端极结合成一个整体，不能单独存在。因此单位体积内具有非常高的工作电场强度，所具有的电容量特别大，即比容量非常高，因此特别适宜于小型化。钽电容器的电解质响应速度快，因此在大规模IC等需要高速运算处理的场合，宜使用钽电容器。
① 矩形钽电容器。
● 外形结构：表面安装矩形钽电容器的外形结构如图2所示。
图2
● 电极构成：矩形钽电容器以高纯度的钽金属粉末为原料，与黏结剂混合后，埋入钽引线，加压成型，在1800～2000℃的真空炉中烧结，形成多孔性的烧结体作为阳极。应用硝酸锰发生的热解反应，使烧结体表面附着固体电解质的二氧化锰作为阴极。在附着二氧化锰的烧结体上涂覆接触电阻很小的石墨层和涂有Ag的合金层，然后焊接阳极端子和阴极端子封装成型。
② 圆柱形钽电容器。
● 外形结构：表面安装圆柱形钽电容器的外形结构如图3所示。
图3
● 电极构成：阳极采用非磁性金属，阴极采用磁性金属，传送时可根据磁性自动判别。
圆柱形钽电容器由阳极和固体半导体阴极组成，采用环氧树脂封装。将作为阳极引线的钽金属放入钽金属粉末中加压成型，然后在1650～2000℃的高温真空炉中烧结成阳极芯片，再将芯片放入磷酸等赋能电解质中进行阳极氧化形成介质膜。通过钽金属线与非磁性阳极端子连接后作为阳极，然后将其浸入硝酸锰等溶液中，在200～400℃的炉中进行热分解，形成的二氧化锰固体电解膜作为阴极。覆膜后，在二氧化锰层上沉积一层石墨，再涂上Ag浆，用环氧树脂封装。
2.主要特性
1)钽电容器具有非常高的工作电场强度，并较任何类型电容器都大，以此保证它的小型化。
2)钽电容器可以非常方便地获得较大的电容量，在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手。
3)钽电容器具有单向导电性，即所谓有“极性”，应用时应按电源的正、负方向接入电流，电容器的阳极（正极）接电源“+”极，阴极（负极）接电源的“-”极如果接错不仅电容器发挥不了作用，而且漏电流很大，短时间内芯子就会发热，破坏氧化膜随即失效。
4)钽电容器工作电压有一定的上限平值，但这方面的缺点对配合晶体管或集成电路电源，是不重要的。
5)钽电容器具有储藏电量、进行充放电等性能。
3.极性
贴片钽电容有标记的一端是正极，另外一端是负极，引线钽长腿的正极，钽电容不能接反，接反后就不起作用了。
三、故障机理
钽电容器发生故障的主要原因是在其制造过程中绝缘膜存在缺陷所致，而且其故障模式主要是短路。
对绝缘膜存在的细微缺陷，钽电容器自己有修复功能，这是由于在缺陷处流过的电流将局部发热，从而产生高温，使该处的二氧化锰释放氧，使缺陷处的钽氧化形成氧化钽膜，覆盖在有缺陷的地方，从而使故障现象得到缓解，如图4所示。这种因高温而引发绝缘膜破坏，以及被破坏处绝缘膜的自己修复同时存在。假定与绝缘膜的自己修复作用相比，绝缘膜的破坏速度更快，那么钽电容器内部就会演变成短路模式的故障。
正是由于短路时的大电流流过钽烧结体内部而产生的高温，使其封装树脂分解产生的气体吹出，并由此引起电容器冒烟和产生耀眼的火焰。
图4
四、解决措施
1.在额定温度环境下对钽电容器采取加载老练筛选的方法，剔除漏电流大的元器件。
2.选用负极采用导电性高的分子材料代替二氧化锰，可大幅减少等效串联电阻（ESR）。与以往产品相比，在构造上可大幅减少冒烟、起火的危险。
3.使用时应避免功率超过正常的额定值。环境温度≥85℃时，要降低电压等级，焊接时请勿使用含卤素的助焊剂。
五、钽电容失效机理补充
钽电容器分为固体钽电容器和液体钽电容器。
1.液钽的失效机理
1)液体钽电容器的漏液问题
液体钽电容器工作电解质为酸性液体，如果产品密封不好，出现漏液。酸性液体漏到电路的印制板上，使线条之间短路，发生严重故障。另外，液体钽电容器在加电工作时不断化学反应要分解出气体，在高真空条件下气体在壳内膨胀而发生爆炸，引起导线之间短路。
2)液体钽电容器的耐反向电压问题
液体钽电容器采用的银外壳。当加上反向电压后Ag＋离子很快通过电解液及Ta2O5介质膜并向钽正极上迁移。即使有0.1V的反向电压，也会损坏了Ta2O5介质，可使其损毁。用户在使用中及筛选测试中都不能加上反向电压。航天总公司1997年发出通报：在某一线路中的液体钽上有0.5V的反向电压，引起了失效，要引以为鉴!
2.固钽的失效机理
1)固钽因“不断击穿”又“不断自愈”问题产生失效。在正常使用一段时间后常发生固钽密封口的焊锡融化，或见到炸开，焊锡乱飞到线路板上。分析原因是其工作时“击穿”又“自愈”，在反复进行，导致漏电流增加。这种短时间(ns～ms)的局部短路，又通过“自愈”后恢复工作。关于“自愈”。理想的Ta2O5介质氧化膜是连续性的和一致性的。加上电压或高温下工作时，由于Ta＋离子疵点的存在，导致缺陷微区的漏电流增加，温度可达到500℃～1000℃以上。这样高的温度使MnO2还原成低价的Mn3O4。有人测试出Mn3O4的电阻率要比MnO2高4～5个数量级。与Ta2O5介质氧化膜相紧密接触的Mn3O4就起到电隔离作用，防止Ta2O5介质氧氧化膜进一步破坏，这就是固钽的局部“自愈了”。但是，很可能在紧接着的再一次“击穿”的电压会比前一次的“击穿”电压要低一些。在每次击穿之后，其漏电流将有所增加，而且这种击穿电源可能产生达到安培级的电流。同时电容器本身的储存的能量也很大，导致电容器永久失效。
2)固钽有“热致失效”问题
固钽的Ta2O5介质氧化膜有单向导电性能，当有充放大电流通过Ta2O5介质氧化膜，会引起发热失效。无充放大电流时，介质氧化膜相当稳定，微观下其离子排列不规则、无序的，称作无定形结构。目测呈现的颜色是五彩干涉色。当无定形结构向定形结构逐步转化，逐步变为有序排列，称之为“晶化”，目测呈现的颜色不再是五彩干涉色，而是无光泽、较暗的颜色。Ta2O5介质氧化薄膜的晶化疏散结构导致钽电容的性能恶化直致击穿失效。
3)固钽有“场致失效”问题。
固钽加上高的电压，内部形成高的电场，易于局部击穿。
根据樊融融老师的现代电子装联工艺缺陷及典型故障100例改编
本文转自： 可靠性杂坛
