【導(dǎo)讀】可靠性是當(dāng)今市場上所有電子產(chǎn)品的一個重要考慮因素。盡管并非所有的應(yīng)用都是安全關(guān)鍵或任務(wù)關(guān)鍵的應(yīng)用，但即使是最簡單的消費類設(shè)備，其后的品牌也需要有良好的用戶評論來保持它們的聲譽。在元器件選擇階段作出明智選擇，可以幫助確保產(chǎn)品在預(yù)期壽命內(nèi)正確工作。
設(shè)計人員的選擇標(biāo)準(zhǔn)
在選擇電容器時，容積效率、頻率穩(wěn)定性、工作溫度， 或等效串聯(lián)電阻（ESR）等特性往往是決定技術(shù)選擇的主要因素。在這些情況下，了解哪些因素會影響壽命，可以幫助工程師確保產(chǎn)品提供所需的可靠性。另一方面，長工作壽命可能是最終產(chǎn)品的一個關(guān)鍵要求，并會最終決定器件的選擇。電容器的制造工藝（如材料純度與制程工藝的管控，生產(chǎn)過程中的在線篩選）可提供更好的可靠性保證，而允許工程師減少電路內(nèi)電容器的數(shù)量，從而在不損害可靠性的情況下，減少解決方案的尺寸和成本。
電容特性
例如，我們知道，用金屬化聚酯或聚丙烯薄膜制成的電容器（圖1）具有長工作壽命。高壓或高溫特性使這些器件非常適合于汽車電子或電燈鎮(zhèn)流器等應(yīng)用，而自修復(fù)特性有助于克服電介質(zhì)中可能引起短路故障的微小缺陷的效應(yīng)。另一方面，隨著這些缺陷的修復(fù)，總可用容量開始下降，等效串聯(lián)電阻（ESR）開始上升。這最終決定了器件的壽命。采用高質(zhì)量的材料和電介質(zhì)制造工藝可以最大限度地減少對自修復(fù)的依賴。在新型能源應(yīng)用中，為了最大限度地降低能量損失，我們特別希望ESR降低。 KEMET公司在這類應(yīng)用中已經(jīng)能夠證實即使是在70℃或以上的工作溫度下此類薄膜電容器可達到幾十年的工作壽命。
圖1. 聚丙烯薄膜電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
鋁電容器包含許多不同類型的結(jié)構(gòu)，其中每種結(jié)構(gòu)的壽命性能都非常不同。例如，電解液電容器的磨損機制非常明確、顯而易見。電解質(zhì)呈弱酸性，因此會隨時間分解電介質(zhì)。另一方面，電解質(zhì)也提供了電介質(zhì)重新生長所需的氧。這就是我們必須要考慮未通電鋁電解液電容器（無論是在貨架上還是在電路板上）“貨架期”的原因。一個有趣的情況是，直徑為30mm或以上的鋁電容器往往會采用更加中性而非酸性的電解質(zhì)，因此在相對適度的環(huán)境下貨架期可以有二至四年。當(dāng)然，這些數(shù)字會隨每個產(chǎn)品系列中所用的電解質(zhì)而改變。
另一方面，固態(tài)“鋁聚合物”或“有機聚合物”電容器的壽命特性非常不同。這些器件（例如KEMET公司的AO-CAP®電容器）的成品中沒有液態(tài)電解質(zhì)。相反，陰極是固態(tài)的導(dǎo)電高分子材料。因此，它們在額定條件下具有超長的工作壽命——可接近于其他的固態(tài)電容。一些數(shù)據(jù)手冊根據(jù)1000小時工作后的電容變化、ESR和外觀等特性，描述了這些類型的器件的耐久性。請注意，這1000小時并不代表電容器的工作壽命。相反，該耐久性測試與通常用于評估認證無源元件的各種加速壽命測試相類似。
就商業(yè)級陶瓷電容器而言，典型的電極系統(tǒng)是使用鎳的賤金屬電極（BME）系統(tǒng)（圖2）。相比于早期的貴金屬電極（PME）系統(tǒng)，BME可以承受更高的電壓?，F(xiàn)時流行的X7R和X5R型電介質(zhì)基于鈦酸鋇制造，并添加了諸如二氧化錳的添加劑 — 這些添加劑可與BME化學(xué)成分共存，并防止電容器制造過程中燒結(jié)工藝中可能造成的電介質(zhì)的還原。電介質(zhì)成分的不斷改進極大提高了陶瓷電容器的可靠性和壽命。KEMET公司的一項研究成果 發(fā)現(xiàn)，即使在惡劣條件下，BME陶瓷電容器也可輕易達到數(shù)十年的壽命。
圖2. 結(jié)合鎳基BME和摻雜鈦酸鋇電介質(zhì)的X5R和X7R多層陶瓷電容器（MLCC）。
鉭電容器的可靠性
用五氧化二鉭電介質(zhì)制作的電容器具有超長的工作壽命。鉭電容作為一種全固態(tài)器件，磨損期極長。鉭基器件最常見的故障是所謂的“開機”故障。這在施加階躍電壓而電容器能夠吸收大初始電流的情況下可能發(fā)生。這會激活電介質(zhì)中的缺陷。如果電介質(zhì)無法修復(fù)，該缺陷會引起器件故障。聚合物鉭器件能夠從明顯的自修復(fù)能力中獲益，對這類故障具有良好的抵御性。KEMET公司的研究成果表明，該類電容器的壽命可長達數(shù)百年甚至是數(shù)千年。這可能比電容器結(jié)構(gòu)中所用的其它材料（如環(huán)氧樹脂）的壽命要長得多。
電容器制造商往往會通過對鉭電容進行測試（例如有控制的電壓和電流沖擊測試），來篩選踢除質(zhì)量可能較差的器件。然而，值得注意的是，電容器組成材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）之間的失配會產(chǎn)生應(yīng)力，從而削弱電容器的可靠性。因此，電容器在最終的電路組裝過程中所經(jīng)受的回流焊條件和回流次數(shù)可能會對器件故障的易發(fā)程度產(chǎn)生影響。
另一方面，器件的額定電壓與實際工作施加電壓比值，通常會顯著影響電容器的壽命。因此，聚合物鉭電容器近期的開發(fā)致力于實現(xiàn)更高的定額電壓（如63V及以上），以供常用的電源電壓（如24V或28V航空電子電源軌）使用。
【推薦閱讀】
三種技術(shù)幫助高頻亥姆霍茲線圈產(chǎn)生強磁場
理解隔離器標(biāo)準(zhǔn)和認證以滿足安全性要求
高度集成的傳感器接口模擬前端簡化了傳感器調(diào)理
無位置傳感器無刷直流電機的換相方式研究
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機伺服系統(tǒng)設(shè)計
