CC BY
95
УДК 620.17:658.56
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ТАНТАЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТРЕСС-ТЕСТА
Кузнецов П.Л., Муравьев В.В.
Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова,
г. Ижевск, Российская Федерация e-mail: pmkk@istu.ru
Рассматривается ускоренный способ анализа качества электролитических объемно-пористых танталовых конденсаторов на основе прогноза изменения эквивалентного последовательного сопротивления при проведении СТРЕСС-ТЕСТА.
Ключевые слова: танталовый конденсатор, емкость, эквивалентное сопротивление.
Введение
Одним из важнейших направлений в обеспечении коммутации источников питания, микропроцессоров и цифровых схем является достижение низких значений шумов при работе на высоких частотах. Чтобы реализовать это требование, необходимо применять компоненты с низким эквивалентным последовательным сопротивлением Яэкв, в частности это распространяется и на конденсаторы.
До 2000-х годов в России основным параметром, характеризующим сопротивление конденсатора, являлось полное сопротивление конденсатора (импеданс) Z, т.е. сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определенной частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с емкостью С также активного сопротивления и индуктивности. Следует отметить, что для конденсаторов, работающих при больших импульсных токах и на высокой частоте, например в фильтрах преобразователей, когда полное сопротивление конденсатора (импеданс) 2 ^ Яэкв, требуется более объективная оценка качества. При этом изменения в десятые и даже сотые доли Ома могут иметь существенное значение, в связи с чем исследование параметра Яэкв> представляется наиболее важным.
Изучению танталовых конденсаторов уделяется большое внимание [1, 2], так как данные конденсаторы обладают высокой надежностью.
Цикл исследований качества электролитических объемно-пористых танталовых конденсаторов в зависимости от качества материалов и технологии в процессе производства позволил повысить значение процента выхода годной продук-
ции [3-9]. Однако необходимо развивать ускоренные способы анализа качества электролитических танталовых конденсаторов.
Цель работы исследовать ускоренный способ анализа качества электролитических объемно-пористых танталовых конденсаторов на основе прогноза изменения эквивалентного последовательного сопротивления при проведении СТРЕСС-ТЕСТА.
Исходные положения
Полное сопротивление рассчитывается по формуле:
Z R3KR2 + (XC - XL )2 ,
(1)
где Яэкв - эквивалентное последовательное (активное) сопротивление; Хс, — реактивные составляющие (емкостная, индуктивная соответственно).
Значение Яэкв определяется тремя переменными [10]:
R -R. + R. + R ,
экв 0 d e '
(2)
где Я0 — константа, определяемая сопротивлением оксидной пленки и внутренних соединений; — составляющая, зависящая от частоты:
R -
D
2 •%• f • C
(3)
где Dox - фактор диэлектрических потерь диэлектрика; f - частота.
Появление потерь, зависящих от частоты, обусловлено наличием тонкого слоя диэлектрика между обкладками.
Потери Ле зависят от температуры и определяются типом применяемого электролита [10]. Для оценки данной составляющей сопротивления применяют выражение:
Яе (Т) = Яе (25° С) • 2
Т-25 А
(4)
где для электролитов на базе этиленгликоля постоянные А = 40; В = 0,6 [10]. В электролитических танталовых объемно-пористых конденсаторах контакт анодной пластины является прямым, так как основной металл анода - тантал, на котором термохимическим способом образуют оксидный слой, является диэлектриком (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схематическое строение объемно-пористых танталовых конденсаторов
При изготовлении объемно-пористых конденсаторов невозможно получить абсолютную повторяемость параметров, а при появлении отклонений в технологических операциях эксплуатационные характеристики начинают изменяться во времени раньше расчетного срока.
Образцы для исследований и методика эксперимента
В качестве образцов для проведения исследований были взяты электролитические объемно-пористые танталовые конденсаторы, произведенные ОАО «Элеконд». Исследование экспериментальной партии электролитических объемно-пористых танталовых конденсаторов номиналом 35 В х 100 мкФ с использованием СТРЕСС-ТЕСТА проведено на выборке п = 30 шт. Объем
такой выборки согласно [4] достаточен для проведения испытаний на длительную безотказность. Для объемно-пористых танталовых конденсаторов значение длительной безотказности может составлять до 40 000 ч.
Методика исследований на длительную безотказность включала следующие операции:
- измерения начальных значений параметров конденсаторов и в контрольных точках проводилось при температуре 20 °С;
- испытание конденсаторов при напряжении, равном номинальному иисп = 35 В. Температура испытаний - максимальная температура среды, при которой допускается работа конденсаторов Тисп = 85 °С;
- продолжительность испытаний - 24000 ч [10];
- контрольные точки - 2000 ч; 3000 ч; 4000 ч; 6000 ч; 8000 ч; 10000 ч; 12 000 ч; 16000 ч; 19000 ч; 21000 ч; 24000 ч.
Для анализа взяты следующие эксплуатационные характеристики конденсаторов: емкость конденсаторов С (мкФ) на частоте 50 Гц и эквивалентное последовательное сопротивление Лэкв (Ом) на частоте 100 кГц.
Методика проведения СТРЕСС-ТЕСТА включала следующие операции:
1. Проведение измерения начальных значений параметров конденсаторов при температуре 20 °С.
2. Проведение 10 циклов испытаний при напряжении равном 1,8 ином = иисп = 63 В и температуре 20 °С. Напряжение, при котором проводился СТРЕСС-ТЕСТ, соответствует напряжению формовки анода конденсатора и имитирует эту операцию, но уже при собранном в корпус конденсаторе.
3. Продолжительность каждого цикла - 5 мин.
4. Контроль параметров:
- емкость конденсаторов С (мкФ) на частоте 50 Гц;
- эквивалентное последовательное сопротивление Лэкв (Ом) на частоте 100 кГц;
- температура поверхности конденсатора Тк.
Результаты и их обсуждение
При проведении испытаний на длительную безотказность получены зависимости изменения значений емкости и эквивалентного последовательного сопротивления, представленные на рисунках 2 и 3. Соединив точки верхних и нижних границ полей рассеяния, получим временные функции изменения емкости (рисунок 2).
в
Рисунок 2 - График зависимости разброса емкости конденсаторов от времени эксплуатации
Из зависимости видно, что за все время эксперимента не произошло выхода границы поля рассеивания емкости за границы поля допуска (70-130 мкФ). К 2000 ч эксплуатации наблюдается снижение значений параметра С, а затем к 6000 ч эксплуатации наблюдается некоторое увеличение емкости, что, возможно, связано с под-формовкой анода. После 6000 ч эксплуатации вновь наблюдается небольшое снижение емкости и с 8000 ч емкость стабилизируется.
Из анализа временной зависимости эквивалентного последовательного сопротивления, приведенной на рисунке 3, следует, что до 21000 ч наблюдаются стабильные значения Яэкв с небольшим увеличением в контрольной точке 8000 ч, затем с 21000 ч наблюдается резкое увеличение в контрольной точке 24000 ч (максимальное значение Лэкв возросло с 0,2 до 1,2 Ом), что можно считать браковочным признаком.
Анализируя характеры зависимостей емкости конденсаторов С и их эквивалентного последовательного сопротивления Лэкв (рисунки 2 и 3) от времени эксплуатации, можно сделать следующие выводы: отказ по параметру Лэкв наблюдается с 21000 ч, даже с учетом ошибок технологических операций, приводящих к завышенным значениям С (что не является браковочным признаком и в дальнейшем дает ложноположитель-ный результат при контроле параметров при проведении испытаний на длительную безотказность), отказ же по параметру С не происходит даже после 24000 ч эксплуатации.
Таким образом, анализ этого выходного параметра технологического процесса позво-
ляет спрогнозировать момент выхода границы поля рассеивания за границы поля допуска и заблаговременно определить момент появления бракованных изделий, анализируя не основной параметр С, а справочный параметр Лэкв.
Рисунок 3 - График зависимости разброса эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторов Лэкв от времени эксплуатации
Для ускоренной оценки качества конденсаторов был проведен СТРЕСС-ТЕСТ. На рисунках 4 и 5 представлены характеры изменения емкости и эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторов при проведении СТРЕСС-ТЕСТА.
Рисунок 4 - Характер изменения емкости С объемно-пористых конденсаторов номиналом 35 В х 100 мкФ при проведении СТРЕСС-ТЕСТА
В ходе проведения СТРЕСС-ТЕСТА в цикле 6 наблюдается увеличение емкости, а затем ем-
кость вновь стабилизируется. Тогда как эквивалентное последовательное сопротивление до 7 цикла испытаний стабильно, с 7 по 9 цикл данный параметр снижается, а уже с 9 цикла происходит резкое его увеличение - с 0,19 до 0,35 Ом, что можно считать браковочным признаком.
Язкв, Ом
0123456789 10
Цикл испытаний
Рисунок 5 - Характер изменения Яэкв конденсаторов номиналом 35 В*100 мкФ при проведении СТРЕСС-ТЕСТА
По характеру изменения Лэкв в ходе испытаний, можно сделать вывод, что в дальнейшем при использовании его на высоких частотах, произойдет дальнейшее увеличение сопротивления, что приведет к преждевременному выходу из строя и разрушению, тогда как по параметру С это не наблюдается.
Заключение
Анализ выходных параметров технологического процесса позволяет заблаговременно определить момент появления бракованных изделий не по основному параметру конденсатора - емкости С, а по справочному параметру -эквивалентному последовательному сопротивлению Лэкв, что является важным при проведении ускоренных испытаний.
Список использованной литературы
1. Fritzler, T. Scintillation Conditioning of Tantalum Capacitors With Manganese Dioxide Cathodes, IEEE Transactions on Device and Materials Reliability (Impact Factor: 1.54) / T. Fritzler, M.H. Azarian, M.G. Pecht. -01/2014; 14(2):630-638. DOI: 10.1109/ TDMR.2014.2314731.
2. Franco, F. Di. Characterization of the Solid State Properties of Anodic Oxides on Magnetron Sput-
tered Ta, Nb and Ta-Nb Alloys / F. Di Franco [et al.] // Journal of The Electrochemical Society. -
2012.- Vol. 159(1). - P. 33-39.
3. Кузнецова, В.А. Исследование надежности танталовых оксидно-полупроводниковых чип-конденсаторов на основе экспериментальных данных / В.А. Кузнецова, П.Л. Кузнецов, В.В. Муравьев // Вестник Ижевского государственного технического университета. -
2013. - № 3. - С. 88-91.
4. Кузнецов, П.Л. Исследование влияния характеристик технологического процесса изготовления на изменения эксплуатационных характеристик танталовых объемно-пористых конденсаторов во времени / П.Л. Кузнецов,
B.А. Кузнецова, Г.В. Ломаев // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2014. - № 1. - С. 11-15.
5. Кузнецова, В.А. Исследование влияния на эксплуатационные характеристики качества материалов танталовых оксидно-полупроводниковых чип-конденсаторов / В.А. Кузнецова [и др.] // Интеллектуальные системы в производстве. - 2013. - № 2. - С. 140-143.
6. Беляева, Е.А. Исследование влияния срока сохраняемости на эксплуатационные характеристики и состояние объемно-пористых танталовых конденсаторов / Е.А. Беляева, В.А. Кузнецова, В.В. Муравьев // Интеллектуальные системы в производстве. - 2014. - № 1. -
C. 96-99.
7. Беляева, Е.А. Влияние переменной синусоидальной составляющей пульсирующего напряжения при оксидировании объемно-пористых анодов танталовых конденсаторов на электрические параметры / Е.А. Беляева, В.В. Муравьев // Интеллектуальные системы в производстве. - 2014. - № 2. - С. 96-102.
8. Кузнецова, В.А. Влияние качества корпуса оксидно-полупроводниковых танталовых чип-конденсаторов на эксплуатационные параметры / Е.А. Беляева, В.В. Муравьев // Интеллектуальные системы в производстве. - 2014. -№ 2. - С. 112-115.
9. Кузнецова, В.А. Влияние конструктивных характеристик анода на эксплуатационные параметры оксидно-полупроводниковых танталовых чип-конденсаторов / Е.А. Беляева, В.В. Муравьев // Вестник Ижевского государственного технического университета. -
2014. - № 4. - С. 105-107.
10. Радюшкин, О. Методы оценки срока эксплуатации электролитических конденсаторов / О. Радюшкин. - Силовая электроника. - 2010. -№ 5. - С. 19-22.
THE QUALITY CONTROL OF ELECTROLYTIC TANTALUM CAPACITORS
BY USING THE STRESS TEST
Kuznetsov P.L., Muraviev V.V.
Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia e-mail: pmkk@istu.ru
Abstract. the article discusses the accelerated method of analysis the electrolytic tantalum capacitors quality on the basis of the change equivalent series resistance forecast while conducting the STRESS TEST.
Keywords: tantalum capacitor, capacitance, equivalent resistance.
References
1. T. Fritzler, M.H. Azarian, M.G. Pecht. Scintillation Conditioning of Tantalum Capacitors With Manganese Dioxide Cathodes, IEEE Transactions on Device and Materials Reliability (Impact Factor: 1.54). 01/2014; 14(2):630-638. DOI: 10.1109/TDMR.2014.2314731.
2. F. Di Franco, G. Zampardi, M. Santamaria, F. Di Quarto, and H. Habazaki. Characterization of the Solid State Properties of Anodic Oxides on Magnetron Sputtered Ta, Nb and Ta-Nb Alloys, Journal of The Electrochemical Society, 2012, vol. 159(1), pp. 33-39.
3. Kuznecova V.A., Kuznecov P.L., Muraviev V.V. Investigation of the reliability of tantalum chip capacitors on the basis of experimental data. Vestnik Izhevskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2013, no. 3, pp. 88-91 (in Russian).
4. Kuznecov P.L., Kuznecova V.A., Lomaev G.V. Research of influence of characteristics of technological process of production on changes of operational characteristics of tantalum wet capacitors in time. Vestnik Izhevskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2014, no. 1, pp. 11-15 (in Russian).
5. Kuznecova V.A., Kuznecov P.L., Belyaeva E.A., Muraviev V.V. Investigation of the influence on the performance quality of the materials tantalum chip capacitors. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve, 2013, no. 2, pp. 140-143 (in Russian).
6. Belyaeva E.A., Kuznecova V.A., Muraviev V.V. Investigation of the influence of storage time on the performance and status of the tantalum capacitors. Intellektual'nye sistemy vproizvodstve, 2014, no. 1, pp. 96-99 (in Russian).
7. Belyaeva E.A., Muraviev V.V. The influence of variable sinusoidal component of the pulsating voltage when the oxidation of the space-porous anodes of tantalum capacitors for electrical parameters. Intellektual'nye sistemy vproizvodstve, 2014, no. 2, pp. 96-102 (in Russian).
8. Kuznecova V.A., Muraviev V.V. The influence of the quality of the case tantalum chip capacitors on operating parameters. Intellektual'nye sistemy vproizvodstve, 2014, no. 2, pp. 112-115 (in Russian).
9. Kuznecova V.A., Muraviev V.V. The influence of structural characteristics of the anode on the operational parameters of the tantalum chip capacitors. Vestnik Izhevskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2014, no. 4, pp. 105-107 (in Russian).
10. Radyushkin O. Methods of estimating period of exploitation of electrolytic capacitors. Silovaya elektronika, 2010, no. 5, pp. 19-22 (in Russian).
Поступила в редакцию 26.01.2015.
