No.005 钽电容器冒烟烧损
1.现象表现及描述
某PCBA在用户使用过程中，发现某一钽电容器冒烟烧损，如图1.16所示。
图1.16 从钽电容器内喷出的火焰
2.形成原因及机理
1）故障原因
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。为了更好地分析其失效机理，首先研究一下钽电容器的特性和内部的结构特点。
（1）钽电容器特性。钽电容器，或称钽固体电容器。在各种电容器中，钽电容器具有最大的单位体积容量，容量超过0.33μF的表面安装电容器通常需要使用钽电容器。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。
（2）内部结构。
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1.17所示。
图1.17 矩形钽电容器的外形结构和电极
● 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1.18所示。
图1.18 圆柱形钽电容器的外形结构和电极
● 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）机理分析
从有关文献对市场大多数电子设备使用中发生故障的长期追踪可知，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1.19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1.19 钽电容器内部构造原理
3.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。