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深圳市未来电子有限公司

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电容中的“贵”族——钽电容

文章出处:深圳市未来电子发展有限公司    作者:Admin    浏览次数:2    发表时间:2021-11-26 08:40:18

固体钽电容器是1956年由美国贝乐试验室首先研制成功的,它的性能优异,是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品。钽电容器外形多种多样,并制成适于表面贴装的小型和片型元件。适应了目前电子技术自动化和小型化发展的。虽然钽原料稀缺,钽电容器价格较昂贵,但大量采用高比容钽粉(30KuF.g-100KuF.V/g),加上对电容器制造工艺的改进和完善,钽电容器还是得到了迅速的发展,钽电容的应用范围日益。钽电容器不仅在军事通讯,航天等领域应用,而且钽电容的应用范围还在向工业控制,影视设备、通讯仪表等产品中大量使用。由于原材料的特殊性,我们先认识一下钽这个金属元素的性质

金属钽的性质

1802年,稀有金属钽(Ta)由AG Ekeberg发现,位于元素周期表VB 族中[2],原子序数73,原子量为 108.195,属于体心立方结构,晶格常数A:3.2959,熔点为2996 ℃,沸点5427 ℃, 仅次于钨和铼,位居 第三。室温下的电阻率为13.58μΩ·cm,电离电位7.30±3V。 1.1.2化学性质钽具有非常好的化学稳定性 ,不与空气和水作用,无论是在冷和热的条件下,对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。除氢氯酸以外能抵 抗包括“王水”在内的一切无机酸,也包括任何碱溶液的侵蚀。将钽放入200℃的硫酸中浸泡一年,表层仅 损伤0.006毫米。实验证明,钽在常温下,对碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不起作用, 仅在氢氟和热浓硫酸作用下有所反应,这样的情况在金属中是比较罕见的。它的另一个重要特性是可以吸收 气体,如氢、氮、氧等,并形成相应的固溶体或化合物。

力学性能

金属钽具有高熔点、极强的抗腐蚀能力和良好的强度。钽富有延展性,可以拉成细丝式制薄箔。其热膨 胀系数很小,每升高一摄氏度只膨胀百分之六点六。除此之外,它的韧性很强,比铜还要优异。但是,硬度 偏低,抗划伤能力和抗变形能力不足,使用寿命短,制约了金属钽的推广应用,这样,对其表面进行强化处 理就显得非常重要。

钽所具有的特性,使它的应用领域十分广阔。在制取各种无机酸的设备中,钽可用来替代石墨阴极,寿 命可比石墨阴极提高几十倍。此外,在化工、电子、电气等工业中,钽可以取代过去需要由贵重金属铂承担 的任务,使所需费用大大降低。


钽电容简介和基本结构

固体钽电容是将钽粉压制成型,在高温炉中烧结成阳极体,其电介质是将阳极体放入酸中赋能,形成多孔 性非晶型Ta2O5 介质膜,其工作电解质为硝酸锰溶液经高温分解形成MnO2 ,通过石墨层作为引出连接用。


电容中的“贵”族——钽电容


钽电容性能优越,能够实现较大容量的同时可以使体积相对较小,易于加工成小型和片状元件,适宜目 前电子器件装配自动化,小型化发展,得到了广泛的应用,钽电容的主要特点有寿命长,耐高温,准确度高 ,但耐电压和电流能力相对较弱,一般应用于电路大容量滤波部分。


工艺流程


一、工艺制造流程

大致工艺流程如下(粗体为关键工序):


原材料检验-成型工序-烧结工序-湿检QC-焊接工序-赋能工序-被膜工序-石墨银浆工序-浸银QC -装配工序-模塑工序-喷砂工序-打印工序-切边工序-预测试工序-老练工序-测试工序-外观工序- 编带工序-查盘工序-成品QC-入库储存-包装-发货QC 下面按照工艺流程路线作一个简要的介绍:

a)原材料检验:

b) 成型:

粗细比例不同的颗粒钽粉与溶解于溶剂中的粘合剂均匀混合好,待溶剂挥发后,再与钽丝一起压制成阳 极钽块;该工序自动化程度较高,每隔一定时间,操作员将混好的钽粉倒入进料盘(防止钽粉太多产生的自 重,粘结在一起),设备自动按照尺寸模腔压制成型;

c) 脱腊和烧结:

脱腊又叫预烧,即将压制成型的钽块内的粘结剂去除;烧结则是将已经脱粘结剂的钽块烧结成为具有一 定机械强度的微观多孔体,烧结过程只是颗粒与颗粒间接触的部分熔合在一起,但若烧结温度过高,则会导 致颗粒与颗粒之间的熔合部分过多,导致表面面积减少;脱腊和烧结对炉的真空度、起始温度、升温、保温 、降温及出炉、转炉时间等参数均有严格控制要求。

d) 湿检QC:

湿检是通过对烧结后的钽块抽样进行赋能试验及电参数测试确定钽块的烧结比容,为下道赋能工艺的参 数进行优化(电流密度、形成电压等),同时反馈调整上道烧结工序的温控曲线等参数。同时,还会对钽块 、钽丝的外观尺寸、强度等参数进行测试。


钽电容器在实际制造过程中,由于使用的原材料性能差异和工艺水平不同以及装备性能的不同,批量生产出的产品的性能尽管都符合标准规定,但实际上不同生产厂家生产的产品的性能存在明显的质量差异。即使是同一生产批,不同只产品实际上也存在质量差异。造成此现象的深层次原因是钽电容器复杂的生产工艺过程使产品参数不可能保持的完全一致,因此,追求质量一致性和追求高性能就成为所有生产厂家的重要目标。而对于用户而言,造成使用时失效的原因主要有两点;一;产品性能参数与电路使用条件不匹配。二;由用户提供的产品存在质量问题。

钽电容器的各电性能参数对使用时可靠性的影响钽电容器的实际参数如下; 1. CR;额定容量[uF] ;2. DF;损耗[%] ;3. DCL;直流漏电流[uA] ;4. ESR;等效串联电阻。[Ω]

反向电压

一般不允许对钽电容施加反向电压,并且不可在纯交流的环境中应用,若在不得以情况下允许时间小量的反向电压。25℃环境下:小于或等于10%Ur或1V(取较小者)85℃环境下:小于或等于5%Ur或0.5V(取较小者),125℃环境下:小于或等于1%Ur或0.1V(取较小者),IEC60384-3对反向电压测试条件为:125℃环境下,3Vdc或10%UR(取较小者)测试125小时。


钽电容器漏电流与充电时间之间关系:

不同生产厂家生产的相同规格的产品的漏电流衰减速度完全不一样,尽管它们都是合格品。钽电容器的漏电流会随充电时间延长而逐渐降低,3分钟内达到稳定态,但不同质量的产品在充电时的漏电流衰减速度却因为不同的生产条件而不同。衰减速度快的产品由于在极短的时间内通过电流较小而产生的热量较小,因此,产品几乎不存在可导致产品瞬间失效的过高热量集中,因此产品不容易发热失效。通过的漏电流小,说明该产品的介电层质量较好,可以安全承受更高的电压和电流冲击,而漏电流衰减速度慢的产品,不光容易在浪涌产生时因为通过电流大而击穿,而且极易爆炸燃烧,对使用者造成毁灭性影响。因此,用户可以通过测试钽电容器的漏电流衰减速度来甄别钽电容器耐电压冲击能力和耐电流冲击能力。


电容失效模式,机理和失效特点

对于钽电容,失效与其他类型的电容一样,也有电参数变化失效、短路失效和开路失效三种。由于钽电容的电性能稳定,且有独特的“自愈”特性,钽电容鲜有参数变化引起的失效,钽电容失效大部分是由于电路降额不足,反向电压,过功耗导致,主要的失效模式是短路。另外,根据钽电容的失效统计数据,钽电容发生开路性失效的情况也极少。因此,钽电容失效主要表现为短路性失效。钽电容短路性失效模式的机理是:固体钽电容的介质Ta2O5由于原材料不纯或工艺中的原因而存在杂质、裂纹、孔洞等疵点或缺陷,钽块在经过高温烧结时已将大部分疵点或缺陷烧毁或蒸发掉,但仍有少量存在。在赋能、老炼等过程中,这些疵点在电压、温度的作用下转化为场致晶化的发源地—晶核;在长期作用下,促使介质膜以较快的速度发发生物理、化学变化,产生应力的积累,到一定时候便引起介质局部的过热击穿。如果介质氧化膜中的缺陷部位较大且集中,一旦在热应力和电应力作用下出现瞬时击穿,则很大的短路电流将使电容迅速过热而失去热平衡,钽电容固有的“自愈”特性已无法修补氧化膜,从而导致钽电容迅速击穿失效 。

钽电容封装大全及技术参数

长的话是+-0.2 ,宽是+-0.1 高 (MM)
型的尺寸3.2 X1.6 X1.6 俗称: A(3216)--公制1206
B型的尺寸 3.5 X2.8 X1.9 俗称: B(3528)--公制1210
C型的尺寸 6.0X 3.2X 2.6 俗称: C(6032)--公制3212
型的尺寸7.3 X4.3 X2.9 俗称: D(7343) 厚度2.9英寸
型的尺寸7.3 X4.3 X4.1 俗称: E(7343) 厚度4.1英寸--公制2917
型的尺寸7.3X 6.1 X3.45 俗称: V(7361)
J(1608)
P(2012)也就是0805的


钽电容的主要优点

钽电容全称是钽电解电容,也属于电解电容的一种,使用金属钽做介质,不像普通电解电容那样使用电解液,,钽电容不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸烧制,本身几乎没有电感,但也限制了它的容量。此外,钽电容内部没有电解液,很适合在高温下工作。 钽电容的特点是寿命长、耐高温、准确度高、滤高频改波性能极好,不过容量较小、价格也比铝电容贵,而且耐电压及电流能力较弱。它被应用于大容量滤波的地方,像CPU插槽附近就看到钽电容的身影,多同陶瓷电容,电解电容配合使用或是应用于电压、电流不大的地方。


在钽电解电容器工作过程中,具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能,使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力,而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能,保证了其长寿命和可靠性的优势。 钽电解电容器具有非常高的工作电场强度,并较类型电容器都大,以此保证它的小型化。

钽电容滤波好的原因:

钽电容的性能优异,是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品,钽电容器非常方便地较大的电容量,在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手。


钽电解电容器具有储藏电量、进行充放电等性能,主要应用于滤波、能量贮存与转换,记号旁路,耦合与退耦以及作时间常数元件等。在应用中要注意其性能特点,正确使用会有助于充分发挥其功能,其中诸如考虑产品工作环境及其发热温度,以及采取降额使用等措施,如果使用不当会影响产品的工作寿命。


固体钽电容器电性能优良,工作温度范围宽,而且形式多样,体积效率优异,具有其独特的特征:钽电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。此层氧化膜介质与组成电容器的一端极结合成一个整体,不能单独存在。因此单位体积内所具有的电容量特别大。即比容量非常高,因此特别适宜于小型化。在钽电容器工作过程中,具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能,使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力,而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能,保证了其长寿命和可靠性的优势。


钽电容最常见的使用故障

片式钽电容器最常用的电路是电源电路的前级滤波和输出端的二级滤波.另外,也可以并联使用在退藕电路以消除寄生电容造成的杂波干扰.有时候,大容量的片式钽电容器也可以使用在脉冲充放电电路中作为二级瞬时补偿电源.一些阻抗特别低的产品也可以使用在大规模集成电路的前级滤波上,以保证大规模集成电路使用中不因为交流纹波过高而发热量太大死机.

由于不同电路中的电路参数差别很大,不同规格的片式钽电容器的参数指标不同,因此,在电路设计选型时,必须保证电路参数要求和电容器的参数配合合适.否则,完全有可能出现因为电容器参数和电路参数不匹配导致的失效和电路故障.

最常见的使用故障如下;

1.工作频率和电容器类型不配套;

在甚高频电路,由于电路工作频率高会导致电容器的感抗增加而容量下降,因此,必须使用感抗和阻抗ESR非常低的叠层陶瓷电容器[MLCC].同样,在中低频率滤波电路使用,就必须使用片式钽电容器,因为MLCC在低频率下滤波效果就很差.合适的工作频率和电容器阻抗及容量变化上存在如下数学关系;ESR=1/2πfcESR就是电容器的等效串联电阻.

π圆周率3.14

f是电路工作频率

C是电容器的容量

不同种类电容器的自有ESR差别非常大,根据上面的公式可以推导出这样的结论;不同种类的电容器由于ESR不同而适合于不同频率的滤波电路.不单是体积和体积容量比大小的问题.因此,您必须根据电路中的需要过滤掉的纹波的频率来选择阻抗ESR在不同范围的电容器,容量选择只考虑信号响应速度的快慢要求即可.否则,滤波效果就不能达到设计要求.

电容器的等效串联电阻ESR和容量甚至电容器种类选择不合适,滤波效果就会很差,滤波后电路中就会仍然存在不同频率的交流杂波干扰信号.因此,使用在滤波电路中的电容器,因为选择了频率特性不合适的电容器,滤波性能就不能达到要求.一句话;使用在滤波电路中的电容器,必须首先考虑电容器的频率特性是否和电路中的需要过滤掉的交流杂波频率相符.由于使用的电容器频率特性不合适,滤波电路出现故障,实际上是一种低层次的技术失误.这要求电路设计者必须对各类电子元件的不同参数特点有个基本的了解.千万不要在对此了解不够时实验性地完成电路设计,到出现问题时再去找其它的原因.

如果放电功率较大,放电频率较高,那么需要降额的幅度更大.

此类电路中的失效问题,例如开机时的爆炸短路现象,多数都是因为电路设计者不清楚滤波电路和放电电路的信号特点存在非常大的差别,因此,不分电路类型,统统规定降额多少的做法是非常缺乏科学依据的自杀行为.


钽电容故障分析

钽电容的故障模式的讨论基本包括两方面:标准二氧化锰负极类型和新导电聚合物(CP)类型。标准钽 电容器在正常工作模式下,由于电脉冲和电压水平,使沟道(通道)中电导增加,而导致电击穿。这会导致 随后的热击穿,将电容器击毁。

在相反模式下,我们已经通报过:在相对低的电压水平下,焦耳热会引起导电增加,从而触发热击穿。 最终导致反馈循环,包括:温度-电导-电流-焦耳热,最终形成电击穿。这两种击穿模式具有随机特征,很 难提前定位。相对于标准钽电容而言,导电聚合物(CP)电容器则显示了稍微不同的电流导电机理。导电 聚合物的介质击穿近似于雪崩击穿和场致发射击穿。是由于两电极之间的引力,电化学衰变,枝状结晶组织 等原因导致的机电崩塌。

然而,也出现了某些负极膜发生自愈现象报告。这可能源于膜蒸发,碳化和再氧化过程。但并非所有的 电容器击穿会导致自愈现象或开路状态??赡芤不岢鱿侄搪非榭?。钽电容我们对于介质击穿的研究意在找出 可以对这种现象加以描述的基本参数系列,及其与最终产品的质量和可靠性之间的关系?;旧?,介质击穿 可由一系列的物理过程产生:焦耳热引起电导增加,从而导致热击穿;雪崩击穿和场致发射击穿;两电极之 间的引力,电化学衰变,枝状结晶组织等原因导致的机电崩塌等等。

介质击穿导致绝缘体和两极的击毁,主要由于熔化和蒸发和有时随后发生热逃逸。为掌握钽MIS(金属- 绝缘体-半导体)异晶结构的更多数据和找到与介质击穿之间的关系,我们研究在两中模式下的电流/电压依 赖工作参数(在正常模式下,钽电极被施加正偏压;在相反模式下,钽电极被施加负偏压)。AVX代理商击 穿击毁不仅源于突发的击穿情况,而且由于随后的电流流动,从而使击穿的起源和动力难于解释。

当自愈情况出现时会出现一些特殊现象。在某些情况中,薄弱点和体击穿面积可以减少。在实验室实验 中,热击穿可以被测量,而元件装置不被毁坏;电击穿可以被观测到,而只出现最小的损坏。辅助自愈过程 也可以被推导出;氧元素可从二氧化锰负极中释放出来,允许钽二氧化物的再生或消除电子陷阱(类似于阳 极化处理或钝化过程),使在介质层中的薄弱点减少。

根据报告,导电聚合物材料有两种自愈途径。第一个理论基于蒸发过程。聚合物的熔化和蒸发温度相当 低。如电流错误足以使聚合物加热,则其可蒸发和消除掉其与该处的联系。

自愈的第二个理论则认为当导电聚合物在故障处被加热时,聚合物吸收氧元素,从而形成一个高电阻帽 ,封住了电流向该故障处的通路,与二氧化锰MnO2的自愈方式大致相同。钽电容介质层的击穿过程并不十分 确定。我们的薄氧化膜实验表明电击穿并不在施加电场的定义值精确(高)时出现?;鞔┕淌撬婊痰?结果,最终的击穿个案,多数情况下都为独立事件。

钽电容和陶瓷电容的区别在哪里?

钽电容:是一种电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品,它的性能优异。钽电容器外形多种多样,并制成适于表面贴装的小型和片型元件。

在1990年,Y5V型陶瓷电容(陶瓷电容以下用MLCC表示)的价格已达到钽电容回收的水平,到1995年,X7R型的价格达到1.0uF钽电容器的水平.这些重大变化使得 MLCC可以与钽电容器在许多应用领域展开直接竞争.对电性能的要求主要取决于具体的应用,我们可以对它们在平滑滤波和退耦这两个主要应用领域的表现作一 番比较。

对于平滑滤波来说,在开关模式电源(SMPS)中的应用是最普通的应用之一,它覆盖非??砉愕氖涑龉β史段Ш筒ǘ缌?虽然如此,但现代 SMPS设计对于最高工作温度、电容和高频开关等方面的限制经常使得电容技术的选择变得明朗.在不容易进行选择的领域,最好进行性价比分析。

使用由全波整流桥组成的模拟电路,可以利用MLCC或者钽电容"平滑滤波".对于Y5V MLCC、X7R MLCC和钽电容三个系列来说,性能均随着电容量的提高而改善,但是在MLCC的范围内,所有的性能水平都能找到更加便宜的解决方案.在中低性能水平 上,Y5V MLCC是成本效益最高的解决方案,对于高性能水平(包括最佳水平),X7R MLCC则是最好的选择.在频率更高(例如,1 MHz)时,X7R MLCC的竞争优势更加明显,因为钽电容回收的有效电容下降,而且串联等效电阻(ESR)较高。

而在退耦应用里,人们必须评估IC执行规定的变化而又不引起额外电压波动(可能导致IC性能严重下降)所要求的电量.这意味着电容必须做出响 应,实际上是作为低阻抗充电电源.与平滑滤波应用一样,其性能随着电容的提高而改善.在100 kHz和400C条件下,1uF的MLCC比1uF、16 V钽电容的成本效益更高。

C尺寸的33uF和D尺寸的100uF的MLCC电容性能更高,但成本也相应显著上升.而且,由于这些元件的尺寸较大,设计人员可能优先考虑使 用一个以上的MLCC,而不是用较大的钽电容.结果显示,在较宽的频率和温度范围内,X7R和Y5V MLCC的成本效益相当于钽电容。

随着MLCC工艺的提升,陶瓷电容与钽电容之间的差距会越来越小,但是不管是MLCC还是固态电容,都很难直接取代钽电容,毕竟他有这自身独特的性能,但是应用的场景肯定是会越来越少~

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