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电容的认识与介绍-钽电解电容

钽电解电容是一种性能相当优越的电容,同样作为电解电容,可以实现较大容量的同时体积较 小,易于加工为小型和片状元件,适应目前电子装联技术向自动化小型化的发展,因此得到广泛应用。但钽电容由于构造问题,比较容易在上电大电流冲击下失效;另外,对于边缘规格的钽电容,其可靠性从实际应用统计来看,是相对较差的,这些问题都需要在使用中加以注意。目前生产的钽电解电容器主要有烧结型固体、箔形卷绕固体、烧结型液体等三种,其中烧结 型固体约占目前生产总量的95%以上,而又以非金属密封型的树脂封装式为主体。小型化、片式化配合SMT技术下方兴未艾,片式烧结钽电容器已逐渐成主流。下面只介绍固体电解质片状钽电容的制法。
一 钽电容的构成
1.1 烧结型固体电解质片状钽电容器


 
1.2 烧结型固体电解质柱状树脂包封钽电容器


 
1.3 烧结型固体电解质金属壳钽电容器


 
1.4 烧结型液体电解质金属壳钽电容器


 
1.5 烧结型固体电解质端帽式钽电容器



二 钽电解电容的工艺制程
2.1 阳极基体的设计-钽粉的选取
贴片固体钽电容的阳极基体一般采用钽粉烧结而成,因此钽粉的的质量如何,将会直接影响钽电容的性能。一般需要关注钽粉的粒形、大小、配比、比表面积、比容、松装密度及纯度。采用高纯度的钽粉可用于制造工作电压高的钽电容或者可靠性高的钽电容,因为钽电容氧化膜质量的好坏,主要取决于钽粉杂质的多少,当钽中含有杂质时,它们都会成为阳极氧化膜中的疵点,影响漏电流的大小、闪火电压下降,电流集中流过杂质存在的部位时,伴有发热,致使杂质周围的Ta2O5膜晶化,致使钽电容寿命下降。采用高比容的钽粉,则减少了钽粉的用量,减小了体积,降低成本。钽粉颗粒越大,额定电压越高;钽粉颗粒越小,钽粉烧结后的海绵状表面积越大,电容容量越大。(钽粉颗粒的典型尺寸10um,为增大表面积选有珊瑚虫形状);钽粉量的多少与形成电压和额定电压的比值有关(该比值一般为3.5~5)。钽粉的选择需要在电容量、额定电压及ESR之间均衡考虑。
 
2.2 烧结成型
在钽粉挤压成型前加入适量的粘合剂(成型剂),使颗粒间及颗粒和成型模具的摩擦都大为减少,可以得到密度均匀而致密的压块,另外,在真空烧结后,粘合剂还可以提高块体的气孔率,对提高容量和降低损耗有明显作用。但近年来,随着小尺寸的要求及成型能力增强,已趋向于不加粘合剂。成型操作是在真空高温150℃几分钟内完成。若有粘合剂,则必须进行预烧,以挥发其中的粘合剂。在预烧或成型后(没有粘合剂),应立即进行真空烧结,否则钽粉表面活性下降易开裂,一般烧结温度为1500-2000℃,真空度不低于1.3×10-2Pa。烧结使各孤立的钽粉颗粒烧结在一起形成海绵状结构,提高机械强度及密度,同时多孔的海绵状结构提供大的内部表面积。因此,烧结时间过长或温度过高将导致电容容值变低。此后添加聚四氟乙烯垫圈隔离钽金属丝,以免在后序加工流程中与MnO2短路。真空环境有助于钽粉的提纯,使杂质挥发掉。

2.3 氧化膜成形
与铝电容类似,钽电容的氧化膜也是通过电化学方法生成,即在形成电解液中,施加适当的正极电压及电流,使钽表面生成Ta2O5介质。介质厚度由施加电压控制;介质厚度与耐压性能有关。厚度与额定电压的对应关系为每20埃能够承受1V的电压。
 
2.4 阴极成型
在Ta2O5表面上被覆MnO2层作为电解质,需要进行Mn(NO3)2的热分解。将形成后在多孔体表面生成Ta2O5的阳极基体浸入Mn(NO3)2溶液中,浸透取出烘干,在水汽(湿式)或空气(干式)的高温气氛中分解制取电子电导型MnO2,以作为电容器的固体电解质层。湿式分解比干式分解优越很多,分解温度比干式的270℃要低,为210℃~250℃。同时生成的MnO2电阻比干式得到的要低一个数量级,只有0.42Ωcm,干式为7.5Ωcm。还有湿式分解得到的MnO2在致密度、多孔性等多方面都比干式要优越,基本上目前的厂家工艺均用湿式热分解法。

三 钽电解电容的特点
3.1 由于钽电解电容器采用颗粒很细的钽粉烧结成多孔的正极,所以单体积内的有效面积大,而且钽氧化膜的介电常数比铝氧化膜的介电常数大因此在相同耐压和电容量的条件下,钽电解电容器的体积比铝电解电容的体积要小得多。
 
3.2 由于钽粉烧结块是先由模压而成的,因此钽电解电容器的外形可以制成多种形式。
 
3.3 使用温度范围宽。一般钽电解电容器都能在40℃ ~ + 85℃环境温度范围内工作,有的还能在+155℃ 下工作。
 
3.4漏电流小,损耗低,绝缘电阻大,频率特性好。
 
3.5 容量大,寿命长,可制成超小型元件。
 
3.6 由于钽氧化膜化学性能稳定,而且耐酸、耐碱,因而钽电解电容器性能稳定,长时间工作仍能保持良好的电性能。
 
3.7 由于钽电解电容器采用钽金属材料,再加上工艺原因,因而成本高、价格贵。
 
3.8 钽电解电容器是有极性的电容器,且耐压低。钽电解电容器主要用于铝电解电容器性能参数难以满足要求的场合,如要求电容器体积小、上下限温度范围宽、频率特性及阻抗特性好、产品稳定性高的军用和民用整机电路。

四 选型重要参数
4.1 电容量
钽电容是目前大量供应电容中比容最大的品种,相同容量的体积可以做得比较小;但限于固体烧结型工艺结构和材料,其CV值(电容与电压乘积)做不大,容量和电压有一定范围,一般从0.1uF~1000uF;工作电压从2V~50V;典型的最大CV组合为22uF/50V(插件)或(33μF/35V)22uF/35V(表贴),而且从实际应用统计情况来看,处于这些边缘规格参数的电容,其相对可靠性要差很多。这些因素都限制了钽电容在高压大容量上的应用。  此外,容量的值随着频率的增大而减小,另外由于为固体MnO2电解质,所以其容量温度特性较稳定,甚至低温至-200℃时,其容量才减小不过10%。在滤波应用时,温度对钽电容的性能影响可以忽略。


 
4.2 ESR值
贴片固体钽电容的ESR值相应要比铝电容小一些,其范围也是从几十毫欧到10 欧(100kHz)分布,具体的ESR值(100kHz)可以在相应的数据手册上找到(有些需要从85℃变换为常温25℃),另外,通过DF值也可以算得在100Hz下的ESR值是多少。
 
4.3 ESL值
ESL与电容的封装尺寸及引线等有关,因此对于贴片固体钽电容,其ESL很小,一般为1~3nH。同样,ESL值较为稳定,不随频率、温度变化,电容量对ESL的影响也不太大,主要是封装尺寸的影响。湿式分解得到的MnO2在致密度、多孔性等多方面都比干式要优越,基本上目前的厂家工艺均用湿式热分解法。

附 钽电解电容选择使用注意事项
1 温度影响:(A)电容量介电常数的变化引起导体面积或间距变化引起  (B)漏电流:通过阻抗变化影响  (C)高温击穿电压和频率对发热的影响 (D)额定电流,当发热产生影响时(E)电解液从密封处泄漏。

2 湿度影响:(A)漏电流  (B)击穿电压  (C)对功率因数或品质因数的影响

3 低气压影响:(A)击穿电压  (B)电解液从密封处泄漏

4 外加电压影响:(A)漏电流  (B)发热及伴随的影响  (C)介质击穿:频率影响  (D)电晕  (E)对外壳或底座的绝缘

5 振动影响:(A)机械振动引起的电容量变化  (B)电容器芯子、引出端或外壳发生机械变形。

6 电流影响:(A)对电容器的内部升温和寿命的影响  (B)导体某发热点的载流能力

7 寿命:所有环境和电路条件对其都有影响。

8 稳定性:所有环境和电路条件对其都有影响。

9 恢复性能:电容量变化后,能否恢复到初始条件。

10 尺寸、体积和安装方法:在机械应力下,当产品安装固定不当时,容易导致引线承受较大应力或共振,严重时会产生引线断裂等现象。

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