電容的認識與介紹-鉭電解電容
2018-01-16 11:13:15 文章出處：avx鉭電容 作者：京瓷電子 瀏覽次數：72
鉭電解電容是一種性能相當優越的電容，同樣作為電解電容，可以實現較大容量的同時體積較小，易于加工為小型和片狀元件，適應目前電子裝聯技術向自動化小型化的發展，因此得到廣泛應用。但鉭電容由于構造問題，比較容易在上電大電流沖擊下失效；另外，對于邊緣規格的鉭電容，其可靠性從實際應用統計來看，是相對較差的，這些問題都需要在使用中加以注意。目前生產的鉭電解電容器主要有燒結型固體、箔形卷繞固體、燒結型液體等三種，其中燒結 型固體約占目前生產總量的95%以上，而又以非金屬密封型的樹脂封裝式為主體。小型化、片式化配合SMT技術下方興未艾，片式燒結鉭電容器已逐漸成主流。下面只介紹固體電解質片狀鉭電容的制法。
一 鉭電容的構成
1.1 燒結型固體電解質片狀鉭電容器
1.2 燒結型固體電解質柱狀樹脂包封鉭電容器
1.3 燒結型固體電解質金屬殼鉭電容器
1.4 燒結型液體電解質金屬殼鉭電容器
1.5 燒結型固體電解質端帽式鉭電容器
二 鉭電解電容的工藝制程
2.1 陽極基體的設計－鉭粉的選取
貼片固體鉭電容的陽極基體一般采用鉭粉燒結而成，因此鉭粉的的質量如何，將會直接影響鉭電容的性能。一般需要關注鉭粉的粒形、大小、配比、比表面積、比容、松裝密度及純度。采用高純度的鉭粉可用于制造工作電壓高的鉭電容或者可靠性高的鉭電容，因為鉭電容氧化膜質量的好壞，主要取決于鉭粉雜質的多少，當鉭中含有雜質時，它們都會成為陽極氧化膜中的疵點，影響漏電流的大小、閃火電壓下降，電流集中流過雜質存在的部位時，伴有發熱，致使雜質周圍的Ta2O5膜晶化，致使鉭電容壽命下降。采用高比容的鉭粉，則減少了鉭粉的用量，減小了體積，降低成本。鉭粉顆粒越大，額定電壓越高；鉭粉顆粒越小，鉭粉燒結后的海綿狀表面積越大，電容容量越大。（鉭粉顆粒的典型尺寸10um，為增大表面積選有珊瑚蟲形狀）；鉭粉量的多少與形成電壓和額定電壓的比值有關（該比值一般為3.5～5）。鉭粉的選擇需要在電容量、額定電壓及ESR之間均衡考慮。
2.2 燒結成型
在鉭粉擠壓成型前加入適量的粘合劑（成型劑），使顆粒間及顆粒和成型模具的摩擦都大為減少，可以得到密度均勻而致密的壓塊，另外，在真空燒結后，粘合劑還可以提高塊體的氣孔率，對提高容量和降低損耗有明顯作用。但近年來，隨著小尺寸的要求及成型能力增強，已趨向于不加粘合劑。成型操作是在真空高溫150℃幾分鐘內完成。若有粘合劑，則必須進行預燒，以揮發其中的粘合劑。在預燒或成型后（沒有粘合劑），應立即進行真空燒結，否則鉭粉表面活性下降易開裂，一般燒結溫度為1500－2000℃，真空度不低于1.3×10-2Pa。燒結使各孤立的鉭粉顆粒燒結在一起形成海綿狀結構，提高機械強度及密度，同時多孔的海綿狀結構提供大的內部表面積。因此，燒結時間過長或溫度過高將導致電容容值變低。此后添加聚四氟乙烯墊圈隔離鉭金屬絲，以免在后序加工流程中與MnO2短路。真空環境有助于鉭粉的提純，使雜質揮發掉。
2.3 氧化膜成形
與鋁電容類似，鉭電容的氧化膜也是通過電化學方法生成，即在形成電解液中，施加適當的正極電壓及電流，使鉭表面生成Ta2O5介質。介質厚度由施加電壓控制；介質厚度與耐壓性能有關。厚度與額定電壓的對應關系為每20埃能夠承受1V的電壓。
2.4 陰極成型
在Ta2O5表面上被覆MnO2層作為電解質，需要進行Mn(NO3)2的熱分解。將形成后在多孔體表面生成Ta2O5的陽極基體浸入Mn(NO3)2溶液中，浸透取出烘干，在水汽（濕式）或空氣（干式）的高溫氣氛中分解制取電子電導型MnO2，以作為電容器的固體電解質層。濕式分解比干式分解優越很多，分解溫度比干式的270℃要低，為210℃～250℃。同時生成的MnO2電阻率比干式得到的要低一個數量級，只有0.42Ωcm，干式為7.5Ωcm。還有濕式分解得到的MnO2在致密度、多孔性等多方面都比干式要優越，基本上目前的廠家工藝均用濕式熱分解法。
三 鉭電解電容的特點
3.1 由于鉭電解電容器采用顆粒很細的鉭粉燒結成多孔的正極，所以單體積內的有效面積大，而且鉭氧化膜的介電常數比鋁氧化膜的介電常數大因此在相同耐壓和電容量的條件下，鉭電解電容器的體積比鋁電解電容器的體積要小得多。
3.2 由于鉭粉燒結塊是先由模壓而成的，因此鉭電解電容器的外形可以制成多種形式。
3.3 使用溫度范圍寬。一般鉭電解電容器都能在40℃ ~ + 85℃環境溫度范圍內工作，有的還能在+155℃ 下工作。
3.4漏電流小，損耗低，絕緣電阻大，頻率特性好。
3.5 容量大，壽命長，可制成超小型元件。
3.6 由于鉭氧化膜化學性能穩定，而且耐酸、耐堿，因而鉭電解電容器性能穩定，長時間工作仍能保持良好的電性能。
3.7 由于鉭電解電容器采用鉭金屬材料，再加上工藝原因，因而成本高、價格貴。
3.8 鉭電解電容器是有極性的電容器，且耐壓低。鉭電解電容器主要用于鋁電解電容器性能參數難以滿足要求的場合，如要求電容器體積小、上下限溫度范圍寬、頻率特性及阻抗特性好、產品穩定性高的軍用和民用整機電路。
四 選型重要參數
4.1 電容量
鉭電容是目前大量供應電容中比容最大的品種，相同容量的體積可以做得比較小；但限于固體燒結型工藝結構和材料，其CV值（電容與電壓乘積）做不大，容量和電壓有一定范圍，一般從0.1uF~1000uF；工作電壓從2V~50V；典型的最大CV組合為22uF/50V(插件)或（33μF/35V）22uF/35V（表貼），而且從實際應用統計情況來看，處于這些邊緣規格參數的電容，其相對可靠性要差很多。這些因素都限制了鉭電容在高壓大容量上的應用。 此外，容量的值隨著頻率的增大而減小，另外由于為固體MnO2電解質，所以其容量溫度特性較穩定，甚至低溫至-200℃時，其容量才減小不過10%。在濾波應用時，溫度對鉭電容的性能影響可以忽略。
4.2 ESR值
貼片固體鉭電容的ESR值相應要比鋁電容小一些，其范圍也是從幾十毫歐到10 歐（100kHz）分布，具體的ESR值（100kHz）可以在相應的數據手冊上找到（有些需要從85℃變換為常溫25℃），另外，通過DF值也可以算得在100Hz下的ESR值是多少。
4.3 ESL值
ESL與電容的封裝尺寸及引線等有關，因此對于貼片固體鉭電容，其ESL很小，一般為1～3nH。同樣，ESL值較為穩定，不隨頻率、溫度變化，電容量對ESL的影響也不太大，主要是封裝尺寸的影響。濕式分解得到的MnO2在致密度、多孔性等多方面都比干式要優越，基本上目前的廠家工藝均用濕式熱分解法。
附 鉭電解電容選擇使用注意事項
1 溫度影響：(A）電容量介電常數的變化引起導體面積或間距變化引起 (B）漏電流:通過阻抗變化影響 (C）高溫擊穿電壓和頻率對發熱的影響 (D）額定電流，當發熱產生影響時（E）電解液從密封處泄漏。
2 濕度影響：(A）漏電流 (B）擊穿電壓 (C）對功率因數或品質因數的影響
3 低氣壓影響：(A）擊穿電壓 (B）電解液從密封處泄漏
4 外加電壓影響：(A）漏電流 (B）發熱及伴隨的影響 (C）介質擊穿：頻率影響 (D）電暈 (E）對外殼或底座的絕緣
5 振動影響：(A）機械振動引起的電容量變化 (B)電容器芯子、引出端或外殼發生機械變形。
6 電流影響：(A）對電容器的內部升溫和壽命的影響 (B）導體某發熱點的載流能力
7 壽命：所有環境和電路條件對其都有影響。
8 穩定性：所有環境和電路條件對其都有影響。
9 恢復性能：電容量變化后，能否恢復到初始條件。
10 尺寸、體積和安裝方法：在機械應力下，當產品安裝固定不當時，容易導致引線承受較大應力或共振，嚴重時會產生引線斷裂等現象。
一 鉭電容的構成
1.1 燒結型固體電解質片狀鉭電容器
1.2 燒結型固體電解質柱狀樹脂包封鉭電容器
1.3 燒結型固體電解質金屬殼鉭電容器
1.4 燒結型液體電解質金屬殼鉭電容器
1.5 燒結型固體電解質端帽式鉭電容器
二 鉭電解電容的工藝制程
2.1 陽極基體的設計－鉭粉的選取
貼片固體鉭電容的陽極基體一般采用鉭粉燒結而成，因此鉭粉的的質量如何，將會直接影響鉭電容的性能。一般需要關注鉭粉的粒形、大小、配比、比表面積、比容、松裝密度及純度。采用高純度的鉭粉可用于制造工作電壓高的鉭電容或者可靠性高的鉭電容，因為鉭電容氧化膜質量的好壞，主要取決于鉭粉雜質的多少，當鉭中含有雜質時，它們都會成為陽極氧化膜中的疵點，影響漏電流的大小、閃火電壓下降，電流集中流過雜質存在的部位時，伴有發熱，致使雜質周圍的Ta2O5膜晶化，致使鉭電容壽命下降。采用高比容的鉭粉，則減少了鉭粉的用量，減小了體積，降低成本。鉭粉顆粒越大，額定電壓越高；鉭粉顆粒越小，鉭粉燒結后的海綿狀表面積越大，電容容量越大。（鉭粉顆粒的典型尺寸10um，為增大表面積選有珊瑚蟲形狀）；鉭粉量的多少與形成電壓和額定電壓的比值有關（該比值一般為3.5～5）。鉭粉的選擇需要在電容量、額定電壓及ESR之間均衡考慮。
2.2 燒結成型
在鉭粉擠壓成型前加入適量的粘合劑（成型劑），使顆粒間及顆粒和成型模具的摩擦都大為減少，可以得到密度均勻而致密的壓塊，另外，在真空燒結后，粘合劑還可以提高塊體的氣孔率，對提高容量和降低損耗有明顯作用。但近年來，隨著小尺寸的要求及成型能力增強，已趨向于不加粘合劑。成型操作是在真空高溫150℃幾分鐘內完成。若有粘合劑，則必須進行預燒，以揮發其中的粘合劑。在預燒或成型后（沒有粘合劑），應立即進行真空燒結，否則鉭粉表面活性下降易開裂，一般燒結溫度為1500－2000℃，真空度不低于1.3×10-2Pa。燒結使各孤立的鉭粉顆粒燒結在一起形成海綿狀結構，提高機械強度及密度，同時多孔的海綿狀結構提供大的內部表面積。因此，燒結時間過長或溫度過高將導致電容容值變低。此后添加聚四氟乙烯墊圈隔離鉭金屬絲，以免在后序加工流程中與MnO2短路。真空環境有助于鉭粉的提純，使雜質揮發掉。
2.3 氧化膜成形
與鋁電容類似，鉭電容的氧化膜也是通過電化學方法生成，即在形成電解液中，施加適當的正極電壓及電流，使鉭表面生成Ta2O5介質。介質厚度由施加電壓控制；介質厚度與耐壓性能有關。厚度與額定電壓的對應關系為每20埃能夠承受1V的電壓。
2.4 陰極成型
在Ta2O5表面上被覆MnO2層作為電解質，需要進行Mn(NO3)2的熱分解。將形成后在多孔體表面生成Ta2O5的陽極基體浸入Mn(NO3)2溶液中，浸透取出烘干，在水汽（濕式）或空氣（干式）的高溫氣氛中分解制取電子電導型MnO2，以作為電容器的固體電解質層。濕式分解比干式分解優越很多，分解溫度比干式的270℃要低，為210℃～250℃。同時生成的MnO2電阻率比干式得到的要低一個數量級，只有0.42Ωcm，干式為7.5Ωcm。還有濕式分解得到的MnO2在致密度、多孔性等多方面都比干式要優越，基本上目前的廠家工藝均用濕式熱分解法。
三 鉭電解電容的特點
3.1 由于鉭電解電容器采用顆粒很細的鉭粉燒結成多孔的正極，所以單體積內的有效面積大，而且鉭氧化膜的介電常數比鋁氧化膜的介電常數大因此在相同耐壓和電容量的條件下，鉭電解電容器的體積比鋁電解電容器的體積要小得多。
3.2 由于鉭粉燒結塊是先由模壓而成的，因此鉭電解電容器的外形可以制成多種形式。
3.3 使用溫度范圍寬。一般鉭電解電容器都能在40℃ ~ + 85℃環境溫度范圍內工作，有的還能在+155℃ 下工作。
3.4漏電流小，損耗低，絕緣電阻大，頻率特性好。
3.5 容量大，壽命長，可制成超小型元件。
3.6 由于鉭氧化膜化學性能穩定，而且耐酸、耐堿，因而鉭電解電容器性能穩定，長時間工作仍能保持良好的電性能。
3.7 由于鉭電解電容器采用鉭金屬材料，再加上工藝原因，因而成本高、價格貴。
3.8 鉭電解電容器是有極性的電容器，且耐壓低。鉭電解電容器主要用于鋁電解電容器性能參數難以滿足要求的場合，如要求電容器體積小、上下限溫度范圍寬、頻率特性及阻抗特性好、產品穩定性高的軍用和民用整機電路。
四 選型重要參數
4.1 電容量
鉭電容是目前大量供應電容中比容最大的品種，相同容量的體積可以做得比較小；但限于固體燒結型工藝結構和材料，其CV值（電容與電壓乘積）做不大，容量和電壓有一定范圍，一般從0.1uF~1000uF；工作電壓從2V~50V；典型的最大CV組合為22uF/50V(插件)或（33μF/35V）22uF/35V（表貼），而且從實際應用統計情況來看，處于這些邊緣規格參數的電容，其相對可靠性要差很多。這些因素都限制了鉭電容在高壓大容量上的應用。 此外，容量的值隨著頻率的增大而減小，另外由于為固體MnO2電解質，所以其容量溫度特性較穩定，甚至低溫至-200℃時，其容量才減小不過10%。在濾波應用時，溫度對鉭電容的性能影響可以忽略。
4.2 ESR值
貼片固體鉭電容的ESR值相應要比鋁電容小一些，其范圍也是從幾十毫歐到10 歐（100kHz）分布，具體的ESR值（100kHz）可以在相應的數據手冊上找到（有些需要從85℃變換為常溫25℃），另外，通過DF值也可以算得在100Hz下的ESR值是多少。
4.3 ESL值
ESL與電容的封裝尺寸及引線等有關，因此對于貼片固體鉭電容，其ESL很小，一般為1～3nH。同樣，ESL值較為穩定，不隨頻率、溫度變化，電容量對ESL的影響也不太大，主要是封裝尺寸的影響。濕式分解得到的MnO2在致密度、多孔性等多方面都比干式要優越，基本上目前的廠家工藝均用濕式熱分解法。
附 鉭電解電容選擇使用注意事項
1 溫度影響：(A）電容量介電常數的變化引起導體面積或間距變化引起 (B）漏電流:通過阻抗變化影響 (C）高溫擊穿電壓和頻率對發熱的影響 (D）額定電流，當發熱產生影響時（E）電解液從密封處泄漏。
2 濕度影響：(A）漏電流 (B）擊穿電壓 (C）對功率因數或品質因數的影響
3 低氣壓影響：(A）擊穿電壓 (B）電解液從密封處泄漏
4 外加電壓影響：(A）漏電流 (B）發熱及伴隨的影響 (C）介質擊穿：頻率影響 (D）電暈 (E）對外殼或底座的絕緣
5 振動影響：(A）機械振動引起的電容量變化 (B)電容器芯子、引出端或外殼發生機械變形。
6 電流影響：(A）對電容器的內部升溫和壽命的影響 (B）導體某發熱點的載流能力
7 壽命：所有環境和電路條件對其都有影響。
8 穩定性：所有環境和電路條件對其都有影響。
9 恢復性能：電容量變化后，能否恢復到初始條件。
10 尺寸、體積和安裝方法：在機械應力下，當產品安裝固定不當時，容易導致引線承受較大應力或共振，嚴重時會產生引線斷裂等現象。