钽电解电容器噪声测试方法及应用研究

钽电解电容器噪声测试方法及应用研究

王栋，杜磊

西安电子科技大学，西安（710071）

E-mail：vieriking@126.com

摘 要：针对电容器噪声难以测量的状况，本文结合钽电解电容器本身的特性，设计了一种新的噪声测试方法。结果表明，利用该方法测量和分析钽电解电容器噪声，所测噪声可以表征钽电解电容介质的损伤状态。通过分析噪声产生的原因发现，自愈合效应引起的介质结构变化是钽电解电容器产生额外噪声的主要原因。 关键词：可靠性；噪声测量；钽电解电容；介质

随着电子器件朝着高性能、小尺寸和长寿命方向发展, 传统的寿命试验性可靠性评价方法的局限性日益显著。近年来，大量研究结果表明，对于大多数电子器件, 噪声对于导致器件失效的各种潜在缺陷极其敏感［1－3］。噪声可靠性表征方法具有灵敏、普适、快速和非破坏性的突出优点。该方法正在发展成为一种新型的电子器件可靠性表征工具［4－8］。但是一些特殊的电子元件如极低电阻(金属接触) 、极高电阻(电容器) 、极小电流(反偏半导体结) 和极大电流(功率器件)等特殊器件结构的噪声测量也是一个有待解决的问题[10-11]。对电容器而言，由于其本身结构原因，直流信号无法通过，所以传统的噪声测试方法无法对其噪声进行测量。

本文之所以选择钽电解电容器作为研究对象，是由于这种电容器具有寿命长、绝缘电阻高、漏电流小、阻抗频率特性好、可靠性高等优点，而广泛的应用于通信、航天和军事工业、海底电缆和高级电子装置等多方面。因此，研究钽电解电容器噪声及其可靠性具有现实的意义。同时由于钽电解电容器是一种典型的金属－绝缘体－半导体（MIS）结构，其噪声的研究方法可推广到其他的MIS结构。

针对上述情况，本文设计了一种新的实验方法用来测量钽电解电容器介质的噪声，通过对钽电解电容介质测量噪声的分析，探讨噪声产生原因，并探讨噪声在电容器缺陷表征方面应用的可行性。

1 钽电解电容器噪声测量方法

1.1 电容器噪声测量现状和问题

在电子元器件低频噪声测量研究领域中，有一类器件较为特殊，即电容器的噪声测量问题。该类器件共同的特点是测试样品的等效阻抗极大，常规的噪声测试方法是将电容器等效为阻抗极大的阻抗性元器件，对其施加一定的直流偏置，然后测量它的漏电流噪声。测试原理图如下所示：

图1.直流偏置噪声测试电路 Fig1.DC-partial noise measrue circuit

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由于电容器本身具有隔断直流的特点，采用该方法时，直流偏置产生的噪声信号会非常的微弱，很容易被测试系统的背景噪声所淹没，并且容易受到外界信号影响，测试难度非常大。

要解决电容器噪声测量中的问题和困难，需要特殊的测试系统来反映电容器的噪声。通过分析电容器本身结构及工作方式，本文提出了一种新的噪声测试系统方案：在被测器件上加上一定的直流偏置，再在被测器件上偶合一个较高频率的低噪声交流信号，这样电容产生的噪声信号就会被叠加在交流信号上，将混合信号经过低噪声放大器进行放大，然后采集噪声幅值的时间序列，最后将混合信号由时域转变到频域，分析其低频部分的噪声。

1.2 噪声测试电路

本文所研究的噪声测量方法原理框图如图2所示。

图2.钽电解电容介质噪声测试系统 Fig2. Tantalum Capacitor noise measure system

下面对系统硬件各部分做一简单介绍：

(1)偏置电路 为被测器件提供偏置电压或电流，并可在一定范围内调整，一般采用镍氢充电电池，其特点是具有极低的噪声，不会对被测器件引入额外的噪声。本次实验给样品所加偏置为20V。

(2)低噪声前置放大器 采用美国EG&G普林斯顿应用研究公司制造的PARC113型低噪声前置放大器，用于对器件的噪声信号进行放大，以便于采集分析和处理。

(3)低噪声信号发生器 采用美国Signal Recovery公司的7265提供一个频率为1219Hz的超低噪声正弦波，只所以选择上述频率主要是为了避免发生谐振，同时使信号处于前置放大器噪声最小的频率段。将信号将会通过被测样品电容，电容产生的噪声也会叠加于该信号。

(4)A/D转换 采用凌华的DAQ2010数据采集卡进行模/数转换、并采集信号。 (5)PC 将采集到的数据保存到计算机上，配合自制的软件进行相应的数据处理，如进行时频域变换、谱线拟合等。

此外，本次实验采用静电模拟装置对钽电解电容进行损伤，其原理图3如下所示：

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图3.静电测试结构 Fig3.ESD tesd structure

图中，电源为可调直流高压电源，电压范围1～5kV，通过开关S由1向2的瞬间转换对样品进行放电。

1.3 实验及讨论

本实验所选用的样品为普通钽电解电容器，耐压为25V，容量为10.6ｕｆ。首先对所购买样品进行预处理，屏蔽钽电解电容器所有可能存在的薄弱点（瑕疵点）。噪声尤其是低频段的噪声可以敏感的反映器件的可靠性，所以本次实验选取1Hz～30Hz的频率范围的噪声进行研究。

实验一，首先我们研究了不同的偏置电压下钽电解电容器的噪声大小。在相同的测试条件下，分别给钽电容器施加不同的电压应力，从5V开始依次上升到20V，对其电容器所产生的噪声进行测量，结果如下图4所示：

图4.不同偏置下的钽电容器噪声

Fig4. Tantalum Capacitor under different volt partial

如图所示，钽电解电容器的噪声随着偏置电压的增加不断增大，产生上述噪声的原因主要是钽电解电容器的漏电流涨落噪声。在对钽电解电容器施加正向电场的情况下，非晶型绝缘层薄膜（Ta2O5）会出现泄漏电流，并且在提高电压时电流会呈指数级增加，对测量所得到功率谱密度进行拟合，发现其γ值位于1.0-1.4之间，与文献[7]所得到的结论一致。电荷载流

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子输运是造成上述现象的原因，具体分以下两种情况：（1）在室温和较低的偏压下，电压应力产生的漏电流是由于热激发的电子从一个孤立态跳跃到另外一个孤立态；该机制服从欧姆特性，即随着温度的增高而呈指数增长。（2）在室温及高场强情况下，产生漏电流主要是由于高场强引起热激励，从而俘获电子进入导带，这一过程被称为积累电荷场诱发射或叫蒲尔-弗朗克效应（Poole-Frenkel effect）， 其发射条件与极板材料、介质材料以及它们的外形、平整度有关。这种电子发射将超越介质而直接与电极板作用，构成传导电流，进而发展成为绝缘介质失效或击穿。考虑到器件正常工作，本实验是在室温和较低偏压下进行，所以我们主要考虑第一种情况。

实验二，为了反映该噪声测试方法对介质层损伤是否敏感，。首先对样品钽电解电容器进行ESD静电损伤。在每次静电损伤结束后，都在相同的偏置电压下20V对样品进行噪声测试,并对所得的结果进行对比。测试结果如下图5所示

图5.ESD实验前后电容器噪声的对比

Fig5. Tantalum Capacitor noise before and after ESD Test

由上图的结果可以明显的看到，随着ESD次数的增多，钽电解电容器的噪声也呈明显增大的趋势，其增幅也累积增长了有近三个数量级。下表对ESD前后的典型的频率点进行了对比，并对所得到功率谱密度进行拟合，得到γ值, γ值为功率谱密度与频率的比值，反映为拟合谱线的斜率，结果如下表1：

表1 ESD后噪声点频值及γ值

Tab.1Noise after ESD at typical frequency and the value of γ

ESD 1Hz(V2/Hz) 10Hz(V2/Hz) 30Hz(V2/Hz) 第一次ESD 第二次ESD 第三次ESD 第四次ESD

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γ

2.3509E-14 9.8111E-16 4.0765E-16 1.4954 2.0418E-13 3.0377E-15 9.6714E-16 1.8131 5.3144E-13 3.1824E-15 6.1566E-16 1.9485 1.7182E-11 2.1933E-13 2.4597E-14 1.9698

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通过对比各典型频率点幅值，表明随着ESD次数的增多，噪声不断增大；γ值逐渐增大并趋近于2。

使用吉士利公司的238源测量单元分别对ESD损伤前后的漏电流进行了测量，结果发现损伤后的钽电解电容器的漏电流较之前并没有明显的变化，都为0.5uA左右，而所测得的噪声却明显的增大，这种现象可能与钽电容器介质层损伤有着密切的联系。

2. 结果分析及测量钽电解电容器噪声的应用

通过研究钽电解电容器的结构，发现钽电容器介质层的损伤是导致噪声增大的主要原因。钽电解电容是一种典型的MIS（金属－绝缘体－半导体）结构电容，主要结构为为Ta-Ta2O5-MnO2。在对钽电容进行ESD静电实验时，介质层Ta2O5受到损伤，可能产生漏电。当对电容施加一定的直流偏置时，就会促使钽电解电容发生相应的自愈反应。一个自愈反应主要是基于热诱导放电使钽电解电容的二氧化锰（MnO2）负极氧化，从而转化为Mn2O3：整

加热

MnO⎯⎯⎯→Mn2O3+O；2从而将电阻为1-10Ohm/cm2的二氧化锰（MnO）,个反应过程为：

2

转化成低导电系数的三氧化二锰（Mn2O3）结构，其电阻在106-107Ohm/cm2之间。因此漏电处被有效地“栓塞”或被“盖住”，然后缺陷产生的漏电流将会被消除。具体消除漏电的过程如下图2所示：具体消除漏电的过程如下图6所示：

图6. 缺陷产生漏电流 Fig6.Leakage current from defects

进一步自愈过程的细节如下图7所示：

图7.自愈合过程后的介质层中的故障处 Fig7. Dielectric after self-healing effect

这就解释了ESD损伤前后为什么漏电流变化不大。而噪声明显的增大了几个数量级，则是因为介质层的变化：介质材料的性质有质的改变，介质层也变得不再平整；介质层的这些损伤通过噪声可以明显的表现出来。随着ESD静电损伤次数的增加噪声幅值也随之增大，说明随着介质层损伤的累加噪声幅值也会随之增大，损伤程度与噪声幅值成正比。

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3. 结论

本文设计了一种新的噪声测试方法，解决了电容器噪声难以测量的难题，为测试钽电解电容器的可靠性提供了新的方法。通过测量的钽电解电容器噪声，我们发现在正常工作范围下，给电容施加的电压应力越大，噪声的幅值也越大；并且通过对钽电解电容介质进行ESD损伤，发现介质层的损伤程度越大所产生的噪声也会随之增大。这样，通过测量噪声，就可以达到无损检测钽电解电容器可靠性的目的。

参考文献

[1] 庄亦琪，孙青，半导体器件中的噪声及其低噪声化技术[M]，北京：国防工业出版社，1993

[2] B.K.Jones, Electrical Noise as a Reliability Indicator in Electronix Devices and Components[J],IEE

Proc-Circuits Devices Syst,VOL 149 NO.1 February 2002 ,pp. 13-22

[3] C.Ciofi,B.Neri, Low-frequency Noise Measurements as a Characterization tool for Degradation Phenomena in

Solid-state Devices[J],Appl. Phys. VOL.33 2000 pp.199-216

[4] ALICJA KONCZAKOWSKA, 1/f Noise of Electrolytic Capacitors as a Reliability Indicator[J],Quality And

Reliablity Engineering International ,VOL.14 1998 pp.83-85

[5] G.Basso,F.Crupi,B.Neri. A Nover Characterization Tool for the Study of Dielectric Breakdown of Ultra-Thin

Oxide MOS strctures[J]. IEEE 0-7803-5276-9/99 1999 pp.1923-1926 [6] 杜磊，庄奕琪，胡净.噪声作为MCM质量与可靠性的诊断与检测工具[J].混合电子技术 VOL.14，NO.3-4，

2003.10，pp.137-142

[7] J.Sikula,J.Hlavka,J.Pavelka,etc.Low Frequency Noise of Tantalum Capacitors[J],Active and Passive Elec.Comp.

Vol.25,2002,pp.161-167 [8] 花永鲜，庄奕琪，杜磊.MOS器件静电潜在损伤的1/f噪声监测方法[J]，西安电子科技大学学报，VOL.28，

NO.5，2001.10，pp.625-629

[9] 马仲发，庄奕琪，杜磊，等.一种敏感的MOSFET ESD潜在损伤检测方法[J]，半导体学报，VOL.23，

NO.11，2002.11，pp.1211-1216

[10] P.Vasina,T.Zednicek,J.Sikula,etc.Failure Modes of Tantalum Capacitors Made By Different

Technologies[J].Microelectronics Reliability,VOL.42,2002 pp.849-854 [11] 夏泓，郑鹏洲，电子元器件失效分析及应用[M],北京：国防工业出版社，1998 [12] 戴逸松，微弱信号检测方法及仪器[M]，北京：国防工业出版社，1994

[13] John H.Scofield,AC Method for Measuring Low-frequency Resisitance Fluctuation Spectra[J]. Review

Science Instrument. VOL.58 June 1987. pp.985-993

[14] N.E.Israeloff ,Dielectric Polarization Noise Through the Glass Transtion[J],Physical Review B ,Third Series

VOL.53 NO.18 May 1996 pp.913-916

[15] L.Buisson,M.Ciccotti,L.Bellon,etc.Electrical Noise Properties in Aging Materials[J]. Conduction Matrial

0403294 v1 2004

[16] M.Sampietro,G.Accomando.L.G.Fasoli etc.High Sensitivity Noise Measurement with a Correlation Spectrum

Analyzer[J],IEEE Transations on Instrumentation and Measurement,VOL.49,No.4,AUGUST 2000 pp.820-822 [17] R.Saletti,B.Neri, Low-Noise Automated Measurement System for Low-Frequency Current Fluctuations in

Thin-Oxide Silicon Structures[J], IEEE Transactions on Instrumentation and Measurment,VOL.41 NO.1, FEBRUARY 1992 pp.123-127

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Research on Tantalum Capacitor Noise Measure Method And

Application

Wang Dong，Du Lei

Xidian University，Xi’an （710071）

Abstract

Capacitor noise is usually hard to be measured. With tantalum capacitor’s characterisics, this paper proposed a new meathod to measure tantalum capacitor noise. Measure and analysis of tantalum capacitor noise with this meathod shows that the different states of dielectric can be characterized. It also be found that self-healing effect is the main reason to generate extra noise. Keywords：Reliability，Noise measuremnt，tantalum capacitor，dielectric

作者简介：

王栋，男，山西运城人，西安电子科技大学技术物理学院硕士研究生，研究方向为材料物理与化学。

杜磊，教授，博士生导师。

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