在貼片式電容器中，固體鉭電解電容器具有容量大、體積小、損耗低、壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各種民用、軍用以及航天電子產(chǎn)品中。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)品功能化需求的提高，KEMET、VISHAY等公司加大產(chǎn)品研發(fā)力度，在傳統(tǒng)鉭電容器的基礎(chǔ)上，采用導(dǎo)電高分子材料替代MnO2，相繼開(kāi)發(fā)出一系列新型導(dǎo)電高分子鉭電容器，具有ESR低的突出特點(diǎn)。目前高分子鉭電容器應(yīng)用于宇航的限制為缺乏充足的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)潛在隱患的研究仍處于初期，而溫度沖擊試驗(yàn)是暴露元器件潛在固有質(zhì)量缺陷非常直觀的手段。

溫度沖擊試驗(yàn)常見(jiàn)于鉭電容器的質(zhì)量保證過(guò)程中，主要考察產(chǎn)品抗御高低溫極值交替沖擊的能力，用于暴露或激發(fā)元器件潛在缺陷。目前，固體電解質(zhì)鉭電容器廣泛應(yīng)用在航天型號(hào)產(chǎn)品中，在空間承受復(fù)雜苛刻溫度變化過(guò)程中，使得產(chǎn)品在適用的溫度條件下，其性能參數(shù)的穩(wěn)定性更加依賴(lài)溫度變化的次數(shù)。在航天器預(yù)期使用壽命內(nèi)，當(dāng)溫度沖擊應(yīng)力積累增多時(shí)，鉭電容器性能參數(shù)也隨之變化，從而影響系統(tǒng)的工作性能，甚至?xí)?lái)嚴(yán)重的安全隱患，而高分子鉭電容器中有機(jī)材料的應(yīng)用可能使問(wèn)題變得更加凸顯。

采用空氣介質(zhì)法在溫度沖擊試驗(yàn)箱中進(jìn)行-55℃～125℃溫度沖擊步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，步進(jìn)條件為依次循環(huán)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為不超過(guò)5 min。試驗(yàn)選取國(guó)內(nèi)某生產(chǎn)廠生產(chǎn)的同一規(guī)格高分子鉭電容器和MnO2鉭電容器作為樣品，樣品均為篩選合格的產(chǎn)品。在循環(huán)后將電容器產(chǎn)品從試驗(yàn)箱內(nèi)拿出，放置至穩(wěn)定后，通過(guò)LCR數(shù)字電橋測(cè)試樣品的電容量和等效串聯(lián)電阻。

在溫度沖擊試驗(yàn)過(guò)程中，樣品的封裝結(jié)構(gòu)和材料結(jié)構(gòu)均未發(fā)生明顯改變，各電參數(shù)的變化由結(jié)構(gòu)和材料的微變?cè)斐伞悠返碾娙萘侩S溫度沖擊變化如圖1所示。溫度沖擊之后，兩種類(lèi)型的鉭電容器電容量均降低，但未出現(xiàn)性能失效。高分子鉭電容器的電容量隨溫沖次數(shù)增多而減小，最大容量變化率△C/C0出現(xiàn)在c4次后，為-1.5%；MnO2鉭電容器的電容量隨溫沖次數(shù)的增多先減小后增大，最大容量變化率△C/C0出現(xiàn)在c2時(shí)刻，為-3.4%。

由于溫度沖擊的最高溫度遠(yuǎn)低于燒結(jié)溫度，因此在溫沖過(guò)程中，介質(zhì)層的物理厚度基本不變，容量的變化主要與鉭氧化膜介電常數(shù)和有效電極板面積的微變有關(guān)。

         圖1 樣品電容量變化率隨溫沖的變化規(guī)律                                圖2 樣品等效串聯(lián)電阻隨溫沖的變化規(guī)律

圖2為產(chǎn)品等效串聯(lián)電阻變化圖，由圖中可以看出高分子鉭電容器的ESR明顯小于MnO2鉭電容器。在c0～c2時(shí)刻，兩種類(lèi)型的鉭電容器等效串聯(lián)電阻變化趨勢(shì)基本一致，先減小后增加；當(dāng)溫沖次數(shù)增多時(shí)（ c2），MnO2鉭電容器的等效串聯(lián)電阻基本保持不變，高分子鉭電容的等效串聯(lián)電阻仍有逐漸增大的趨勢(shì)。

由陰極材料的改變而引入的ESR變化主要集中于：①陰極電阻；②陰極與鉭氧化膜的接觸電阻。圖2中高分子鉭電容器的ESR明顯低于MnO2電容器，直接反應(yīng)了陰極材料電阻的差異。導(dǎo)電高分子材料的電導(dǎo)率約為10-500 S/cm，而MnO2的電導(dǎo)率約為0.1 S/cm，MnO2材料的電阻明顯大于導(dǎo)電高分子材料的電阻，與圖2相符。但導(dǎo)電高分子陰極材料的電阻可達(dá)MnO2材料阻值的100倍以上，而圖2中二者的ESR之比最大為3.4，體現(xiàn)了接觸電阻對(duì)的ESR影響。

結(jié)合產(chǎn)品電容量和ESR變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題集中在氧化膜電性能和Ta2O5-陰極材料界面變化規(guī)律及其影響分析上。

（1）鉭氧化膜變化規(guī)律及其影響分析

在MnO2鉭電容器中，受制造過(guò)程影響，Ta2O5往往由于燒結(jié)過(guò)程的關(guān)系，最終的存在形式為非計(jì)量比的缺氧氧化物，膜層中存在大量氧空位，化學(xué)式應(yīng)寫(xiě)為T(mén)a2O5-x；而MnO2往往為非計(jì)量比的富氧氧化物，化學(xué)式應(yīng)寫(xiě)為Mn1-xO2。在溫度沖擊過(guò)程中，Mn1-xO2中的多余氧會(huì)逐漸擴(kuò)散至Ta2O5-x中，氧化膜被逐漸修復(fù)。在此過(guò)程中，Ta2O5-x中的氧空位逐漸減少，電導(dǎo)率降低，電阻增大，介電常數(shù)增大，ESR升高，電容量也增加。但MnO2鉭電容器的實(shí)際電容量和ESR隨著溫沖次數(shù)的增加表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，說(shuō)明在前期，鉭氧化膜電性能的變化不是產(chǎn)品電容量的變化的主要原因。

對(duì)于高分子鉭電容器，制造過(guò)程和材料特性可知，氧在高分子材料中主要以有機(jī)骨架的形式存在，少量以含氧有機(jī)小分子的形式存在，這部分小分子很難擴(kuò)散到鉭氧化膜中，對(duì)氧化膜起到作用。

（2）Ta2O5-陰極材料內(nèi)表面的變化及其影響分析

當(dāng)兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同且溫度變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熱不匹配現(xiàn)象，在微觀上表現(xiàn)為化學(xué)鍵畸變、損傷的出現(xiàn)，在宏觀上表現(xiàn)為兩個(gè)膜層間接觸電阻的增大以及有效接觸面積的減小。隨著溫度沖擊次數(shù)的增加，化學(xué)鍵畸變和斷裂程度逐漸加深，產(chǎn)品的接觸電阻逐漸增大，有效接觸面積逐漸較小，導(dǎo)致電容量逐漸減小。但由于導(dǎo)電高分子材料為多孔柔性有機(jī)膜層材料，其塑性?xún)?yōu)于MnO2，可以同時(shí)向自身本體內(nèi)部擠壓，因此相同溫度變化時(shí)對(duì)界面造成的破壞小于MnO2，c2時(shí)高分子鉭電容器的容量變化率為-0.9%，MnO2鉭電容器的容量變化率為-3.4%。c2~c4時(shí)，高分子鉭電容器中熱膨脹對(duì)界面的破壞持續(xù)發(fā)生，其有效電容面積持續(xù)降低，電容量持續(xù)下降；MnO2電容器在溫沖后期的電容量變化更加依賴(lài)鉭介質(zhì)層的修復(fù)，表現(xiàn)出一定的自愈特性。

宇航應(yīng)用要求性能長(zhǎng)期穩(wěn)定的產(chǎn)品，這就需要生產(chǎn)廠根據(jù)參數(shù)變化機(jī)理及過(guò)程的分析結(jié)論，開(kāi)展設(shè)計(jì)和工藝的調(diào)整和改進(jìn)。針對(duì)本次試驗(yàn)研究的樣品，生產(chǎn)廠可以從調(diào)整鉭氧化膜和陰極材料比容、改進(jìn)工藝增加界面強(qiáng)度、調(diào)整燒結(jié)條件以調(diào)整材料內(nèi)部活性物質(zhì)含量等方面入手進(jìn)行嘗試。

對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量保證過(guò)程來(lái)說(shuō)，溫度沖擊試驗(yàn)作為一種加速試驗(yàn)，能夠激發(fā)產(chǎn)品潛在隱患，將其轉(zhuǎn)化為早期問(wèn)題，從而達(dá)到暴露產(chǎn)品薄弱點(diǎn)的目的。目前溫度沖擊試驗(yàn)廣泛用于電子元器件的篩選、考核以及鑒定檢驗(yàn)過(guò)程中，更多地是作為環(huán)境試驗(yàn)直接考察耐受快速變化的極限溫度的能力，對(duì)其評(píng)價(jià)產(chǎn)品長(zhǎng)期使用性能和考核產(chǎn)品質(zhì)量薄弱點(diǎn)的能力利用不足。溫度沖擊試驗(yàn)作為一種破壞性試驗(yàn)，更應(yīng)該是一種評(píng)價(jià)試驗(yàn)，最理想的狀態(tài)是該產(chǎn)品的電性能參數(shù)不隨溫度沖擊次數(shù)發(fā)生變化。但實(shí)際過(guò)程是材料會(huì)發(fā)生退化，產(chǎn)品電性能參數(shù)會(huì)以一定規(guī)律發(fā)生變化。這就需要對(duì)同一生產(chǎn)廠生產(chǎn)的同規(guī)格產(chǎn)品進(jìn)行徹底的性能評(píng)估，得到全溫沖壽命周期內(nèi)的電性能參數(shù)變化曲線，而對(duì)于新品來(lái)說(shuō)，后續(xù)供貨的產(chǎn)品在供貨之前，必須根據(jù)上述曲線，選取適當(dāng)?shù)臏貨_次數(shù)對(duì)抽取的產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，以保證批次與批次間供貨產(chǎn)品性能的一致性和穩(wěn)定性?？偟膩?lái)說(shuō)，溫度沖擊試驗(yàn)產(chǎn)品隱患分析，是產(chǎn)品質(zhì)量保證工作的重要環(huán)節(jié)，是為航天提供低風(fēng)險(xiǎn)高可靠、高穩(wěn)定產(chǎn)品的重要保證。