鉭電容器如何實(shí)現(xiàn)高可靠性

1、 鉭電容器如何實(shí)現(xiàn)高可靠性摘要威布爾可靠性鑒定多年以前受到MIL標(biāo)準(zhǔn)的影響，被用于鉭電容器特性的評(píng)價(jià)中。多年過(guò)去，鉭電容器的過(guò)程、材料、試驗(yàn)、設(shè)備和其他過(guò)程控制等方面都發(fā)生了重要變化。那么，威布爾分布對(duì)于今天的鉭電容器制造技術(shù)和高可靠性應(yīng)用仍是最適合的嗎？由于目前確保產(chǎn)品可靠性的威布爾等級(jí)是有缺陷的，因此需要找到一種的新方法，尤其是，這種方法針對(duì)早期壽命失效以及在為確保威布爾加速因子最大化的工作中過(guò)載電壓的潛在危害應(yīng)用。 本文所討論的內(nèi)容與現(xiàn)有的老化過(guò)程、DC漏電流篩選技術(shù)以及過(guò)程監(jiān)視中改進(jìn)相關(guān)的修正有關(guān)。這些修正可改善鉭電容器DC漏電流的一致性，也就是消除電場(chǎng)感應(yīng)給電介質(zhì)所造成的潛在損害。其

2、結(jié)果是鉭電容器在零失效誤差使用中可獲得最好的性能。1、 前言有這樣一個(gè)已建立起來(lái)的概念，鉭陽(yáng)極塊中所存在的雜質(zhì)會(huì)對(duì)Ta2O5電介質(zhì)層造成破壞。除了由于其他制造過(guò)程導(dǎo)致的缺陷之外，這些破壞會(huì)導(dǎo)致漏電流增加、參數(shù)缺乏穩(wěn)定性或是出現(xiàn)災(zāi)難性的電介質(zhì)擊穿。這些非同質(zhì)缺陷的出現(xiàn)可通過(guò)對(duì)材料和過(guò)程的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)減小，事實(shí)上通過(guò)實(shí)施適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法可消除此類非同質(zhì)缺陷。批次產(chǎn)品的非同質(zhì)缺陷點(diǎn)消除之后，依然會(huì)有大量的同質(zhì)缺陷存在，在參數(shù)上表現(xiàn)為漏電流，在現(xiàn)象上表現(xiàn)為電子陷阱。電介質(zhì)魯棒性能具有兩種特性，一種特性是阻礙災(zāi)難性的介質(zhì)失效，另外一種特性是保持參數(shù)泄漏的穩(wěn)定性。通過(guò)熱化學(xué)模型方式，可將這兩種特性能模型化，至

3、少是在最開(kāi)始的時(shí)候，這一模型可得到McPherson的支持，并通過(guò)Teverovsky得以證實(shí)。通過(guò)熱化學(xué)模型可得到的一個(gè)關(guān)鍵性的結(jié)論，即Ta2O5電介質(zhì)與時(shí)間之間存在潛在的敏感性，通過(guò)施加老化電壓這樣一個(gè)潛在加速條件，隨著時(shí)間的推移電介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)擊穿。為了控制生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷以及批次電容器中所固有的缺陷，可使用Q-過(guò)程方法進(jìn)行應(yīng)對(duì)，此方法由如下六個(gè)要素組成： 過(guò)程監(jiān)視：3D控制圖 125，優(yōu)化電壓老化 不同溫度下的統(tǒng)計(jì)篩查，預(yù)老化/老化 提高在線回流焊條件 特定的批次識(shí)別 產(chǎn)品水平標(biāo)號(hào)下面對(duì)這些要素逐一進(jìn)行說(shuō)明。2、 過(guò)程監(jiān)視：3D控制圖 要通過(guò)對(duì)原材料和過(guò)程的控制來(lái)降低非同質(zhì)缺陷，這需要

4、對(duì)相關(guān)工藝過(guò)程進(jìn)行精確的監(jiān)控，特別是對(duì)重要致因事件的識(shí)別。傳統(tǒng)意義上的SPC控制圖并不能精確地反映出正態(tài)過(guò)程變異，這是因?yàn)榇祟惪刂茍D錯(cuò)誤地以批次內(nèi)變異為基礎(chǔ)，從而代替批次間的變異。 傳統(tǒng)的SPC控制圖在批次間控制圖(X-bar控制圖)中，在計(jì)算控制限過(guò)程中錯(cuò)誤地使用批次內(nèi)西格瑪（以西格瑪控制圖的中心線作為基礎(chǔ)）。通常這會(huì)引起圖中所示的圖形：圖1X-bar控制圖上所計(jì)算出的控制限并不是代表標(biāo)繪點(diǎn)。在此例中控制限非常緊密。這清晰地表示出批次內(nèi)變異相比較批次間變異要更小。如果使用此類控制圖來(lái)控制過(guò)程，操作者和工程師只能簡(jiǎn)單地追求正常過(guò)程變異，不能將注意力集中在特殊原因事件上，因?yàn)槎鄶?shù)批次是“不受控”

5、的。3、 實(shí)施3D控制圖 將如下兩種控制圖用于追蹤變異可為真實(shí)過(guò)程的變差提供一種更為準(zhǔn)確表達(dá)方式： 用于表示批次間變異的移動(dòng)極差控制圖 用于表示批次內(nèi)變異的西格瑪控制圖 AVX目前是將批次間移動(dòng)極差控制圖的中心線應(yīng)用在批次間X-bar控制圖中。圖2是將同樣的數(shù)據(jù)顯示在另外一個(gè)移動(dòng)極差控制圖，并在X-bar控制圖上標(biāo)出正確的控制限。最上面的一張控制圖被處理成一張單獨(dú)的IX控制圖。圖2移動(dòng)R控制圖顯示的是批次間變異，S（批次內(nèi)）控制圖顯示的是批次內(nèi)變異。最上部控制圖上的控制限是以移動(dòng)R圖的中心線為基礎(chǔ)。IX控制圖標(biāo)繪點(diǎn)上的垂直線代表的是批次內(nèi)變異。注意批次#7的批次內(nèi)變異要明顯高于其他的批次內(nèi)變異

6、。這種變異只限定在批次內(nèi)，不會(huì)作為特殊原因顯現(xiàn)在IX控制圖上或是移動(dòng)R控制圖上。在鉭電容器的制造過(guò)程中，有許多情況既包含分組內(nèi)的變異源，也包含分組間的變異源，這兩種情況均需要進(jìn)行監(jiān)視。一旦在制造工廠實(shí)施適合的控制圖，生產(chǎn)和工藝設(shè)計(jì)都能將視角聚焦在特殊原因事件上。這些特殊原因事件是持續(xù)改進(jìn)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。一旦特殊原因事件得到識(shí)別，那么就應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行根本原因調(diào)查。每個(gè)根本原因調(diào)查均要識(shí)別出相應(yīng)的區(qū)域，在這些區(qū)域里，要么過(guò)程可以進(jìn)行優(yōu)化，要么產(chǎn)品或是過(guò)程能被改善。在開(kāi)發(fā)Q-過(guò)程期間有如下一些產(chǎn)品/過(guò)程提高的例子： 1、對(duì)陽(yáng)極壓制密度的控制 2、使用SPC對(duì)燒結(jié)進(jìn)行監(jiān)視和控制3、對(duì)形成設(shè)備進(jìn)行MES控制和

7、SPC監(jiān)視4、對(duì)MnO2 浸漬設(shè)備進(jìn)行MES控制 5、優(yōu)化焊接過(guò)程 6、對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)這些改善的結(jié)果包括但不限于在較少受到特殊原因變異影響的情況下漏電流特性會(huì)更低更集中(圖3)。圖34、 老化優(yōu)化溫度和電壓的施加所引發(fā)的加速老化過(guò)程具有如下兩種基本功能：l 元件愈合和缺陷隔離l 剔除非常規(guī)的、與其他產(chǎn)品不相關(guān)的缺陷產(chǎn)品有些不能通過(guò)預(yù)老化統(tǒng)計(jì)篩選去除的缺陷，會(huì)通過(guò)加速老化得到進(jìn)一步強(qiáng)化，從而最終會(huì)體現(xiàn)在漏電流參數(shù)上，該參數(shù)將會(huì)明顯增加。在剩余的元件中那些并未察覺(jué)的漏電流有缺陷的產(chǎn)品會(huì)能通過(guò)老化統(tǒng)計(jì)篩選的方法去除掉。鉭電容器本身固有的均質(zhì)缺陷，如氧空位、不嚴(yán)重的電介質(zhì)破裂或是納米級(jí)的機(jī)

8、械損傷，都能在老化期間通過(guò)固相陽(yáng)極氧化或是通過(guò)將導(dǎo)電MnO2不可逆還原成絕緣Mn2O3達(dá)到電隔離的方式得到修復(fù)。這些愈合過(guò)程需要使用電壓，并且通過(guò)提高電壓和溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)加速老化。Q-過(guò)程的關(guān)鍵要素之一是施加電壓、溫度以及老化持續(xù)時(shí)間三者之間的有效優(yōu)化，這樣老化過(guò)程可在不誘發(fā)局部介質(zhì)擊穿的情況下產(chǎn)品的缺陷得到愈合，這在McPherson的熱化學(xué)模型中有所描述。圖4所示的是老化過(guò)程漏電流的參數(shù)變化狀況。老化過(guò)程優(yōu)化后產(chǎn)品漏電流明顯地比綜合漏電流低，但是通過(guò)改進(jìn)老化統(tǒng)計(jì)篩選的有效性，那些異常產(chǎn)品的漏電流會(huì)有提高。圖45、 統(tǒng)計(jì)篩選，預(yù)老化/125°C老化（提高在線回流焊條件）Q-控制過(guò)程的另

9、外一個(gè)關(guān)鍵要素是在老化過(guò)程之前就將非同質(zhì)缺陷去除掉。由于老化期間愈合過(guò)程的作用，在批次產(chǎn)品之中那些有可能存留下的缺陷不明顯的產(chǎn)品會(huì)“轉(zhuǎn)移到”漏電流分布表現(xiàn)為是“好的”產(chǎn)品當(dāng)中去。AVX已認(rèn)定出，這些“轉(zhuǎn)移”的產(chǎn)品中的一部分在長(zhǎng)壽命試驗(yàn)過(guò)程中具有潛在的不穩(wěn)定性。在125°C老化之前，使用統(tǒng)計(jì)篩選是有可能去除那些漏電流參數(shù)潛在不穩(wěn)定的電容器的，其中包括這一小部分“轉(zhuǎn)移”的產(chǎn)品（圖5中用紅色表示）。圖5除125°C老化之外，AVX還在一個(gè)合適的水平下給元件施加一個(gè)經(jīng)優(yōu)化的回流焊過(guò)程，此過(guò)程可從機(jī)械性能方面給元件誘發(fā)出一個(gè)產(chǎn)品能承受的參數(shù)漂移的弱應(yīng)力，并在隨后的老化統(tǒng)計(jì)篩選過(guò)程將其

10、識(shí)別出來(lái)。這種識(shí)別參數(shù)漂移的能力也可以通過(guò)高溫篩選來(lái)實(shí)現(xiàn)提升。圖6所示的是在125°C 測(cè)試期間所發(fā)現(xiàn)的單個(gè)電容器的變化情況，通常情況下這種變化在室溫測(cè)試過(guò)程中是不易觀察到的。圖6正如圖7所示，AVX的這種老化、回流焊和預(yù)老化/老化統(tǒng)計(jì)篩選的組合已被Q-過(guò)程所取代。圖7相對(duì)于常規(guī)的85°C溫度和加速老化過(guò)程符合威布爾分布的電壓來(lái)說(shuō)，Q-過(guò)程已經(jīng)反復(fù)地證明其在漏電流方面的改進(jìn)。圖8分別從預(yù)老化、125°C老化和85°C老化這三個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域表示出漏電流方面的改進(jìn)。圖8老化后漏電流改進(jìn)也通過(guò)多批次重復(fù)的顯示出（圖9中紅色代表威布爾分布，藍(lán)色代表Q-過(guò)程）。圖9Q

11、-過(guò)程的有效性通過(guò)壽命試驗(yàn)得到最好的證明。AVX使用85°C（額定電壓）和125°C （額定電壓）進(jìn)行壽命試驗(yàn)。在圖10中試驗(yàn)樣本數(shù)量多于100個(gè)，并且是從10個(gè)生產(chǎn)批次中抽取的，然后在125°C下進(jìn)行試驗(yàn)。為了與大約170個(gè)常規(guī)老化產(chǎn)品進(jìn)行比較，AVX選用了大約1000個(gè)Q-過(guò)程產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果用黑色線表示出。從圖中很容易就可以看到，經(jīng)過(guò)85°C壽命試驗(yàn)，施加加速電壓的產(chǎn)品中含有2個(gè)失效的產(chǎn)品。而Q-過(guò)程產(chǎn)品漏電流值在壽命試驗(yàn)后均在規(guī)定的限定值(0.225A)內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)失效產(chǎn)品。圖10圖11所示的是10個(gè)產(chǎn)品在85°C（額定電壓）

12、壽命試驗(yàn)條件下的結(jié)果，試驗(yàn)樣本來(lái)自相同的10個(gè)Q-過(guò)程生產(chǎn)批次。正如圖所證實(shí)的那樣，經(jīng)過(guò)2000小時(shí)壽命試驗(yàn)后漏電流值的變化并不明顯。圖116、 AVX統(tǒng)計(jì)算法的評(píng)價(jià)為了評(píng)價(jià)AVX統(tǒng)計(jì)算法的有效性，對(duì)每個(gè)產(chǎn)品均進(jìn)行了壽命試驗(yàn)。同時(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)125°C 老化的性能處于邊緣或是異常的產(chǎn)品進(jìn)行收集、歸類并進(jìn)行85°C壽命試驗(yàn)。在每個(gè)壽命試驗(yàn)組中均對(duì)有特定要求的產(chǎn)品特性值進(jìn)行識(shí)別。圖12柱狀圖顯示的是25°C下有特定要求的分組產(chǎn)品其漏電流分布情況。圖12基于以上的分組，圖13a和13b顯示出85°C 壽命試驗(yàn)結(jié)果。分組情況如下：1) 針對(duì)125 HDCL產(chǎn)品（老化后

13、），盡管有10個(gè)產(chǎn)品漏電流最高，但是所有的產(chǎn)品仍在3控制限范圍內(nèi)并表現(xiàn)穩(wěn)定，表明3控制限和Q-過(guò)程均相對(duì)有效，結(jié)果是區(qū)域1在控制線內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)良。2) 從全部的10個(gè)批次中所選定的產(chǎn)品其漏電流值均超出3控制限，但是還在有效限定值范圍內(nèi)，盡管多數(shù)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)85°C壽命試驗(yàn)參數(shù)是穩(wěn)定的，但是正如圖13a中所示那樣，10個(gè)批次的產(chǎn)品中仍出現(xiàn)3個(gè)失效產(chǎn)品，是可能含不穩(wěn)定產(chǎn)品的。這也說(shuō)明常規(guī)有效限定值并不能有效地剔除可靠性有問(wèn)題的產(chǎn)品，而這些臨界產(chǎn)品主要集中在區(qū)域2內(nèi)。3) 區(qū)域1內(nèi)是電性優(yōu)良的產(chǎn)品。圖中黑點(diǎn)表示壽命試驗(yàn)前的漏電流數(shù)據(jù)。圖13a圖13b所示的是與圖13a相同的漏電流分布，只是被標(biāo)示成

14、合適產(chǎn)品的漏電流限定值。圖13b7、 非常規(guī)批次程序AVX設(shè)計(jì)非常規(guī)批次程序是要與以前所提供的批次進(jìn)行比較，以便從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上識(shí)別出批次之間的差異。此程序可確保所生產(chǎn)的批次從統(tǒng)計(jì)上是與最初合格的設(shè)計(jì)是相同的。在AVX，非常規(guī)批次程序在持續(xù)改進(jìn)計(jì)劃中是關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。此程序利用了本文前面所討論的3D圖模式。圖14則是此程序的直觀表現(xiàn)方式。圖148、 產(chǎn)品水平標(biāo)識(shí)/AVX批次可接受試驗(yàn)由于在老化前先將早期失效產(chǎn)品剔除，這樣就不可能計(jì)算出常規(guī)威布爾分布模型的失效率?，F(xiàn)在有必要用一個(gè)能精確地預(yù)測(cè)出批次可靠性性能的系統(tǒng)來(lái)代替威布爾等級(jí)系統(tǒng)。威布爾系統(tǒng)從未將表面貼裝產(chǎn)品的多面回流焊接到基質(zhì)的影響考慮在產(chǎn)品計(jì)算中

15、。這在現(xiàn)有體系中是一個(gè)缺陷，并且在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)會(huì)成為一個(gè)造成顧客不滿的因素。產(chǎn)品水平標(biāo)識(shí)是一種可證實(shí)的失效率。這種獨(dú)特的系統(tǒng)在此前的計(jì)算中從未使用過(guò)，模擬生產(chǎn)程序可通過(guò)批次產(chǎn)品的樣本來(lái)實(shí)現(xiàn)，這包括雙面回流焊。一旦獲得樣品性能，就可在此基礎(chǔ)上通過(guò)模擬生產(chǎn)來(lái)完成計(jì)算。見(jiàn)示例1。為了計(jì)算出批次的產(chǎn)品水平標(biāo)識(shí)，在建立計(jì)算公式過(guò)程中有幾個(gè)假設(shè)條件和因子需要確定出：1、等效元件小時(shí)數(shù)是以固體鉭電容器的MIL-HBK-217模型作為基礎(chǔ)2、試驗(yàn)溫度加速因子是以Arrhenius模型為基礎(chǔ)，溫度是絕對(duì)溫度K3、激活能 (1.08eV到1.15eV) 4、玻爾茲曼常數(shù)= 8.63E-5 eV/°K5、試

16、驗(yàn)電壓加速因子=(試驗(yàn)電壓/額定電壓)36、失效率的等效元件小時(shí)數(shù)=試驗(yàn)溫度下的總元件小時(shí)數(shù)×試驗(yàn)溫度加速因子×試驗(yàn)電壓加速因子7、失效率預(yù)測(cè)服從卡方分布，在使用卡方分布過(guò)程中自由度等于(失效率+1)×28、實(shí)際電壓加速因子=(實(shí)際使用電壓/額定電壓)39、最終失效率=所計(jì)算的失效率×實(shí)際電壓加速因子例1輸入：（10V產(chǎn)品）額定電壓10V試驗(yàn)數(shù)量30只施壓時(shí)間6小時(shí)試驗(yàn)溫度125°C試驗(yàn)電壓6.6V失效數(shù)量0只置信水平90%使用溫度25°C使用電壓5V鉭電容器激活能1.08eV輸出：元件小數(shù)（使用溫度下的當(dāng)量）1978593元件年（使用溫度下的當(dāng)量）225.71試驗(yàn)加速因子（溫度）38234.21試驗(yàn)加速因子（電壓）0.287496使用加速因子（電壓）0.1250失效率（每1000小時(shí)失效百分?jǐn)?shù)）0.007273MTBF（平均故障間隔時(shí)間）（小時(shí)）1374867此模型考慮