自愈

NEPP 任务：固体钽电容器浪涌电流测试的可靠性影响

固体钽电容器广泛用于太空应用，以过滤电源电路中的低频纹波电流并稳定系统中的直流电压。根据军用规格 (MIL-PRF-55365) 制造的钽电容器是可靠的元件，D 级或 S 级每 1000 小时的故障率低于 0.001%（故障率低于 10 FIT），因此这些部件属于可靠性最高的电子元件。尽管如此，钽电容器确实会发生故障，一旦发生，可能会对系统造成灾难性的后果。这是由于短路故障模式，可能会损坏电源，也是由于在低阻抗应用中发生故障时，带有锰阴极的钽电容器具有自燃能力。在此类故障中，钽颗粒与过热的氧化锰阴极产生的氧气发生放热反应，释放出大量能量，不仅会损坏部件，还会损坏电路板和周围元件。与陶瓷部件相比，钽电容器的一个特点是电容值相对较大，在当代小尺寸芯片电容器中电容值达到数十和数百微法拉。这可能会导致电路板首次通电时部件出现所谓的浪涌电流或开启故障。这种故障被认为是钽电容器中最常见的故障类型 [1]，是由于电路中电压 dV/dt 的快速变化，在电路中电流不受限制时产生高浪涌电流尖峰，I sp = C×dV/dt。这些尖峰电流可以达到数百安培，并导致系统发生灾难性故障。浪涌电流故障的机理尚未完全了解，相关文献中讨论了不同的假设。其中包括持续闪烁击穿模型 [1-3]；电感相对较高的电路中的电振荡 [4-6]；阴极局部过热 [5, 7, 8]；MnO 2 晶体撞击导致的五氧化二钽电介质机械损伤 [2, 9, 10]；或电流尖峰期间产生的电磁力引起的应力诱导电子陷阱生成 [11]。然而，我们的数据显示闪烁击穿电压明显高于浪涌电流击穿电压，因此仍不清楚为什么没有闪烁的部件在浪涌电流测试 (SCT) 期间会在相同电压下失效。关于浪涌电流故障的一个普遍接受的解释是，在浪涌电流条件下，如果电流供应不受限制，钽电容器中的自愈机制不起作用，如果电流受到限制，那么本来会是一个轻微的闪烁尖峰，但到了部件上就会变成灾难性的故障 [1, 12]。电子元件（尤其是钽电容器）的使用风险可以定义为故障概率和后果（例如，表示为返工、重新​​测试、重新设计、项目延误等成本）的乘积。在这方面，钽电容器可以被视为具有高应用风险的低故障率部件。为了降低这种风险，有必要进一步开发筛选和鉴定系统，特别注意现有程序中可能存在的缺陷。