鉭電解電容器及其性能

發(fā)布時間：

2008-04-07 00:00:00

由于微電子技術(shù)的不斷革新，一般電源電路的兩側(cè)和個人電腦的中央處理器（CPU）等所使用的電容器都要求小型化，高容量，低阻抗等優(yōu)良的電

      由于微電子技術(shù)的不斷革新，一般電源電路的兩側(cè)和個人電腦的中央處理器（CPU）等所使用的電容器都要求小型化，高容量，低阻抗等優(yōu)良的電性能；鉭電解電容器作為電解電容器中的一類，恰好具有以上特點，因此鉭電解電容器廣泛應(yīng)用于通信、航天和軍事工業(yè)、海底電覽和高級電子裝置、民用電器、電視機等多方面。
鉭電解電容器的定義
    鉭電解電容器是一種用金屬鉭（Ｔa）作為陽極材料而制成的，按陽極結(jié)構(gòu)的不同可分為箔式和鉭粉燒結(jié)式兩種，在鉭粉燒結(jié)式鉭電容中，又因工作電解質(zhì)不同，分為固體電解質(zhì)的鉭電容和非固體電解質(zhì)的鉭電容。其中，固體鉭電解電容器用量大，如CA型、CA42型、CA45型等。
鉭電解電容和鋁電解電容相比有下述優(yōu)點
　　1.體積小。由于鉭電容采用了顆粒很細的鉭粉，而且鉭氧化膜的介電常數(shù)ε比鋁氧化膜的介電常數(shù)高17，因此鉭電容的單位體積內(nèi)的電容量大。
　?。?使用溫度范圍寬。一般鉭電解電容器都能在－55℃~125℃的溫度下正常工作，而鋁電解電容器最高只能在－55℃~105℃的溫度下正常工作，并且在這個范圍內(nèi)工作，電性能遠遠不如鉭電解。
　　3.壽命長、絕緣電阻高、漏電流小。鉭電解電容器中鉭氧化膜介質(zhì)不僅耐腐蝕，而且長時間工作能保持良好的性能。
　?。?阻抗頻率特性好。對頻率特性不好的電容器，當(dāng)工作頻率高時電容量就大幅度下降，損耗（tgδ）也急劇上升。但固體電解電容器可工作在50KHz以上。鉭電容隨頻率上升，也要出現(xiàn)容量下降現(xiàn)象，但下降幅度較小，有資料表明，工作在10kHz時鉭電容容量下降不到20％，而鋁電解電容容量下降達40％。
　　5.可靠性高。鉭氧化膜的化學(xué)性能穩(wěn)定，又因鉭陽極基體Ta2O5能耐強酸、強堿，所以它能使用固體或含酸的電阻率很低的液體電解質(zhì)，這就使得鉭電解電容器的損耗要比鋁電解電容小，而且溫度穩(wěn)定性良好。
    鉭電解電容和陶瓷電容相比有下述優(yōu)點
1、穩(wěn)定特性。對電容器施加的直流偏置電壓增加或溫度上升時會導(dǎo)致容量下降，容量的下降會導(dǎo)致放大器的功能和穩(wěn)定性變差，但是鉭電解電容器隨直流偏置電壓的增加，容量下降的速度要比陶瓷電容器的容量下降的速度慢很多。
    2、交流信號。由于小的交流信號（20-30%）導(dǎo)致容量下降，陶瓷電容施加小的交流信號電壓，容量下降，會影響放大器的功能和穩(wěn)定性差。
3、濾波干凈度。陶瓷電容器使用鈦酸鋇材料，必然存在壓電效應(yīng)，即X5R,X7R,Y5V介質(zhì)層用在小型麥克風(fēng)或揚聲器，由于信號保真度下降會產(chǎn)生附加噪音；而鉭電解電容器使用的電解質(zhì)材料MnO2則存在很小的電壓效應(yīng)，保證了信號的保真度。
    4、可靠性。根據(jù)軍方描述陶瓷電容失效率比鉭電容高出30%以上。
5、機械性能。在垂直墜落實驗中高CV值陶瓷電容器容易斷裂，而鉭電容器獨有      的塑封結(jié)構(gòu)有高的耐沖擊性。
鉭電容器的失效機理
一般情況下，考核鉭電容器性能有三個主要參數(shù)：漏電流Ir(μA)；電容量C（μF）；損耗角正切值tgδ(％)；在技術(shù)規(guī)范中規(guī)定了若干試驗項目來考核三個參數(shù)，以免元器件在使用過程中失效。
由于鉭電解電容器的固體電解質(zhì)的特性，鉭電解電容器的失效曲線呈浴盆狀。實際上，在試驗中容量變化、損耗角正切值失效的現(xiàn)象是極少的，幾乎沒有超過技術(shù)規(guī)范要求的，失效主要集中在漏電流惡化上?！?BR>漏電流，是對電容器施加額定直流工作電壓，將觀察到充電電流的變化，開始很大，隨著時間而下降，到某一終值時達到較穩(wěn)定狀態(tài)，這一終值電流稱Ir為漏電流。
漏電流反映的是鉭電容器介質(zhì)膜Ta2O5的絕緣質(zhì)量，理想中的電容器介質(zhì)應(yīng)是完美無缺的薄膜，它的絕緣電阻可達幾百兆歐以上。而實際上Ta2O5表面存在各種微小的疵點、空洞以及隙縫之類的缺陷，漏電流就是通過這些缺陷的雜質(zhì)離子電流和電子電流所組成。如果電流較大，在試驗的高應(yīng)力下，電應(yīng)力集中，電流密度大，使疵點周圍的氧化膜“晶化”，擴大了疵點面積，介質(zhì)質(zhì)量進一步惡化，絕緣電阻下降，漏電流增加。當(dāng)漏電流增加到超過技術(shù)規(guī)范的規(guī)定值，造成電容器失效。有時漏電流變得無窮大，實際介質(zhì)膜已擊穿，電容器完全失去了作用。所以，在討論電容器的失效機理時，從理論上講三個參數(shù)都可能失效，實際上，漏電流變大，才是電容器致命的失效。如果使用了漏電流大而失效的鉭電容器（如在整機上），導(dǎo)致整機不能工作，甚至燒毀部分線路。在鉭電容器試驗項目中，在用戶反映的質(zhì)量問題中，有90％以上都集中反映在漏電流變大的惡化問題。
影響鉭電容器失效的因素
　　影響鉭電容器失效的因素主要有二個方面，一方面是制造電容器的材料－鉭粉、鉭絲的影響，另一方面是制造電容器的工藝影響。
　?。?）鉭粉、鉭絲的影響
　　鉭粉、鉭絲的化學(xué)性能、物理性能、雜質(zhì)含量、鉭粉的顆粒形狀、大小，擊穿電壓，都直接影響鉭電容器的質(zhì)量。鉭粉、鉭絲中的雜質(zhì)含量對形成氧化膜的質(zhì)量有很大的影響。鉭電容器的陽極芯子在成型時要經(jīng)過1500～2050℃的高溫高真空的燒結(jié)，燒結(jié)的目的之一就是去掉鉭粉、鉭絲中的雜質(zhì)，而那些難熔的雜質(zhì)，如鎢、鉬、硅、鐵、銅等，在燒結(jié)時難以完全去除，在形成氧化膜時成為疵點的“晶核”，成為導(dǎo)電通道。所以，對鉭粉的雜質(zhì)含量要求極為嚴格，一般要求小于10～50PPM。鉭粉有很多種規(guī)格，是根據(jù)電容器的工作電壓，分為高壓粉、中壓粉、低壓粉，各種粉的比容、物理性能、擊穿電壓都有區(qū)別，在生產(chǎn)電容器時，必須根據(jù)電容器的規(guī)格，合理、恰當(dāng)選用鉭粉，才能確保電容器的質(zhì)量。
　?。?）電容器制造工藝的影響
　　鉭電容器的生產(chǎn)工藝也直接影響鉭電容器的性能，尤其是幾個關(guān)鍵工序?qū)⒅苯佑绊戙g電容器的漏電流。
　第一、陽極制造工序，是將鉭粉成型并進行高溫真空燒結(jié)，目的是成型和提純，要通過1500～2050℃高真空燒結(jié)，去除雜質(zhì)，達到提純的目的。如果提純效果不佳，殘留的雜質(zhì)在鉭陽極芯子中，將成為介質(zhì)膜中的“晶核”，是造成漏電流的隱患。
　第二、賦能工序，是將鉭陽極放在電解液中，施加直流電壓，電解液中的氧離子和鉭陽極中的鉭形成Ta2O5膜層。在這一工藝中，電解液的配方及溫度、電壓、升壓電流密度、恒壓時間、都必須嚴格按工藝要求進行控制。賦能工藝結(jié)束后，要進行賦能效果檢驗，特別是電容量和漏電流，必須達到工藝要求。希望漏電流值越小越好。在賦能工藝過程中，如某一環(huán)節(jié)掌握不好，極易產(chǎn)生“晶化”現(xiàn)象，所以，賦能工藝要求制造完整的介質(zhì)膜層，又不能出現(xiàn)“晶化”現(xiàn)象。
    第三、被膜工序，是制造電容器陰極MnO2，也是影響漏電流的關(guān)鍵工序。現(xiàn)在工藝采用“水汽被膜工藝”，提高了MnO2層質(zhì)量，其電阻值極小，所以電容器的損耗值小。漏電流取決于被膜的工藝控制及中間賦能的效果。
    第四、此外裝配工序質(zhì)量、老煉工藝效果都影響電容器的漏電流性能。
    第五、篩選工序，是對鉭電容器的成品采取進一步加嚴檢驗的工藝，通常采用高、低溫篩選、長時間高溫老練篩選以及X光透射檢查等等。
結(jié)論
第一、單位體積內(nèi)所具有的電容量特別大，即比容量非常高。
第二、在電容器的工作過程中，具有自動修補或隔絕氧化膜中的疵點所在的性能，使氧化膜隨時得到加固和恢復(fù)其應(yīng)有的絕緣能力，而不致遭到連續(xù)的累積性破壞，這就是所說的鉭電解電容器的失效幾率特別低。
第三、鉭電解電容器的比表面積大，這是保證其小型化的必要條件。
第四、漏電流、損耗角正切值較小，溫度、頻率特性好。
第五、良好的使用穩(wěn)定性和可靠性，使用壽命長。