鉭電解電容器生產(chǎn)工藝和漏電流探析

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摘要：鉭電解電容器在電子元器件中占據(jù)著非常重要的地位，鉭電容器是電容器中體積小而又能達(dá)到較大電容量的產(chǎn)品，最早在1956年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首先研制成功的，它的性能穩(wěn)定，可靠性優(yōu)異，在將盡一個(gè)世紀(jì)以來(lái)沒有哪種電容器通過完全替代鉭電解電容器，鉭電容器封裝形式多種多樣，體積尺寸設(shè)計(jì)多樣化，其所具備的穩(wěn)定性高、容量大、小型方便、高性能以及較強(qiáng)的自愈能力等優(yōu)勢(shì)使鉭電容器不僅廣泛在軍事通訊，航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用，而且還在向工業(yè)控制，影視設(shè)備、通訊儀表、手機(jī)、電腦、飛機(jī)、工業(yè)控制電子線路或者火箭雷達(dá)等領(lǐng)域擴(kuò)展，覆蓋范圍非常廣，其地位和重要性在電子電路中可圈可點(diǎn)。文章主要針對(duì)鉭電解電容器關(guān)鍵生產(chǎn)工藝流程以及漏電流情況做了簡(jiǎn)單闡述，希望能進(jìn)一步提高鉭電解電容器的生產(chǎn)制造水平。

關(guān)鍵詞：鉭電解電容器；制造工藝；漏電流

1鉭電解電容器簡(jiǎn)單闡述

鉭電解電容器顧名思義是以鉭為金屬材料制造的電容器，主要是其電介質(zhì)層為鉭的氧化物------五氧化二鉭（Ta2O5）。五氧化二鉭是不能單獨(dú)生成的，作為電容器的電介質(zhì)層，是在鉭粉顆粒表面通過電化學(xué)方法獲得。電解電容器結(jié)構(gòu)的三個(gè)要素是正極、電介質(zhì)、負(fù)極，圍繞這三個(gè)要素，生成了許多不同生產(chǎn)工藝及結(jié)構(gòu)。不管封裝形式，鉭電解電容器的正極都是以有色金屬鉭粉為原料，將適合于制造電容器的鉭粉與鉭絲一起通過模具壓制成型鉭坯，同時(shí)將帶鉭絲的鉭坯在高溫（1300~2000℃）高真空條件下燒結(jié)成具有多孔狀蜂窩結(jié)構(gòu)的鉭塊，通過控制鉭粉的選擇、燒結(jié)工藝的優(yōu)化獲取最大比表面積和高質(zhì)量的鉭塊，這種鉭塊就是用作鉭電容器的陽(yáng)極芯子，鉭絲作為正極引出線。在鉭塊的多孔狀金屬鉭顆粒表面上通過電化學(xué)法生成電介質(zhì)層五氧化二鉭膜，厚度非常薄，該層氧化膜介質(zhì)與電容器陽(yáng)極鉭塊融合在一起，兩者相互作用才能存儲(chǔ)電荷，由于鉭塊的蜂窩結(jié)構(gòu)具有極大的表面積，同時(shí)五氧化二鉭電介質(zhì)膜非常薄，所以鉭電容器的單位體積內(nèi)具有很大的電容量。因此，鉭電解電容器有著較高的容量比，即可以大型化提高更大的容量，也可以小型化便于安裝集成化表帖化。電介質(zhì)五氧化二鉭膜具有半導(dǎo)體單向?qū)щ娞匦?，所以鉭電解電容器有正負(fù)極性之分，主要是因?yàn)槲逖趸g在正向電壓條件下電阻非常大，具有絕緣層介質(zhì)特性，而在反向電壓條件下電阻非常小，容易導(dǎo)通，所以鉭電解電容器必須按正向電壓使用，在錯(cuò)誤的極性條件下，鉭電解電容器的鉭芯會(huì)快速發(fā)熱，氧化膜即可失效，造成不良的后果。鉭電解電容器在正常規(guī)定條件下使用可以說(shuō)是一種性能優(yōu)良，壽命長(zhǎng)的電子元件。鉭電解電容器的失效率呈現(xiàn)出一種浴盆失效曲線，前期失效也可以通過老練過程有效剔除，因此鉭電解電容器只存在隨機(jī)失效性。而導(dǎo)致鉭電解電容器隨機(jī)失效的原因可能由制造工藝問題、使用過程不當(dāng)?shù)取?/p>

2鉭電解電容器生產(chǎn)工藝過程

2.1電解電容器結(jié)構(gòu)分析。電解電容器的各類突出優(yōu)勢(shì)正是它特殊的結(jié)構(gòu)所決定的，按照正極形態(tài)分為燒結(jié)型鉭電容器和卷繞型鉭電容器，目前市場(chǎng)上主要是燒結(jié)型鉭電容器；按照負(fù)極引出材料形態(tài)分為固體電解質(zhì)鉭電容器和非固體電解質(zhì)鉭電容器；按照封裝形式分為金屬外殼封裝鉭電容器和樹脂封裝鉭電容器等。尤其是固體鉭電解電容器，其所具備的高穩(wěn)定性、高可靠性、體積小以及利于片式化優(yōu)勢(shì)，使得固體鉭電解電容器在整個(gè)電子元件市場(chǎng)中占據(jù)著非常重要的地位。2.2成型與燒結(jié)。鉭電解電容器的成型工藝主要利用成型機(jī)，將一定量的鉭金屬粉末壓制成規(guī)定形狀和尺寸的鉭陽(yáng)極坯。在實(shí)施成型工藝時(shí)，需要合理選擇鉭粉，規(guī)范設(shè)計(jì)陽(yáng)極基體，保障鉭粉無(wú)雜質(zhì)。若鉭粉存在雜質(zhì)，不僅會(huì)影響電容器漏電流，損耗電容量以及角正切值，還會(huì)影響閃火電壓高低。鉭電容器陽(yáng)極鉭芯是由鉭粉制造，其物理特征影響壓制工藝，也對(duì)產(chǎn)品漏電流有影響，鉭粉的化學(xué)雜質(zhì)元素是影響后期電容器介質(zhì)膜質(zhì)量的關(guān)鍵，直接關(guān)系到成品漏電流和使用壽命的性能。因此鉭粉質(zhì)量與電容器性能息息相關(guān)。表征鉭粉質(zhì)量的因素諸多，但最主要的應(yīng)為純度、粒度和粒形等。因此對(duì)鉭粉化學(xué)成份、物理性能和電氣性能的考核指標(biāo)提出了高要求。鉭粉的主要雜質(zhì)元素有O、C、P、H、N、Si、Fe、Ni、Cr、W、Mo、Al、Mn、Ti、K、Na等。鉭電解電容器介質(zhì)氧化膜的質(zhì)量好壞，主要取決于鉭中雜質(zhì)的多少。雜質(zhì)的含量直接影響漏電流的大小、閃火電壓的高低及產(chǎn)品的可靠性和壽命的長(zhǎng)短。電流集中流過雜質(zhì)存在的部位時(shí)，伴有發(fā)熱，促使它周圍的五氧化二鉭膜晶化，介質(zhì)出現(xiàn)裂縫，致使漏電流進(jìn)一步上升，耐壓下降，鉭塊陽(yáng)極性能惡化。鉭粉中的雜質(zhì)含量是影響其電性能的重要因素，究竟其含量應(yīng)以多少為宜，應(yīng)根據(jù)使用需要和生產(chǎn)可能性來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于高壓高可靠性鉭粉其純度要求高些，而對(duì)于低壓超高比容鉭粉其純度可以低些，甚至可以添加某些摻雜元素。目前國(guó)內(nèi)外為提高比容，改善鉭粉的電性能，采用了在鉭粉中進(jìn)行摻雜的嘗試，并已收到了較明顯的效果。金屬鉭是一種對(duì)O,N和C非?；钚缘脑?隨著鉭粉比表面積的增大,鉭粉的活性也隨之增加,所以鉭粉的O,N含量相應(yīng)的比較高。對(duì)于鉭粉中適當(dāng)?shù)腘含量，可以使鉭粉具有較好的(對(duì)于氧)穩(wěn)定性，少吸收氧，在燒結(jié)時(shí)減少收縮率，有較大的孔隙率，提高比容，降低漏電流；但是如果N含量過高，使得成型性變差，壓塊強(qiáng)度不夠，燒結(jié)性差，燒結(jié)塊與鉭絲的結(jié)合不好，因而增大漏電流，影響電容器的可靠性。燒結(jié)的功能是使鉭粉原子之間以及鉭粉與鉭絲之間牢固結(jié)合并使雜質(zhì)蒸發(fā)、飛濺。鉭粉粒子之間及鉭粉與鉭絲之間的結(jié)合在處于接觸狀態(tài)的金屬相互擴(kuò)散后會(huì)熔成一體，并增加強(qiáng)度陽(yáng)極塊強(qiáng)度，陽(yáng)極塊強(qiáng)度隨溫度升高而增大。同時(shí)，雜質(zhì)的飛濺也隨溫度升高而增多。但是溫度升高的話，熔敷加快，陽(yáng)極塊空孔率降低，隨著燒結(jié)溫度的提高和顆粒結(jié)合力的發(fā)展，自然要導(dǎo)致體積收縮、氣孔率減小、密度和機(jī)械強(qiáng)度增加等物理狀態(tài)的變更，CV值也變小。因此，燒結(jié)溫度必須根據(jù)鉭粉種類、電容器的品種、規(guī)格來(lái)選擇最佳值。燒結(jié)工藝過程要注意的事項(xiàng)：―選擇合適的燒結(jié)溫度，保證燒結(jié)比容達(dá)到最佳狀態(tài)；―選擇合適的總坩堝高度，減小溫度不均勻性造成同爐產(chǎn)品比容的差異；―注意出爐溫度，減少由于吸氧影響產(chǎn)品的性能，尤其是對(duì)于高比容鉭粉。―合理安排每堝的裝入量，減小在高溫過程中造成的鉭絲彎曲、鉭塊粘連，鉭塊變形等問題的出現(xiàn)；―避免燒結(jié)后產(chǎn)品與硬物接觸造成表面的劃傷；―控制產(chǎn)品的收縮率，保證鉭塊性能的均一性。2.3賦能形成。賦能形成簡(jiǎn)稱賦能，主要指使用電化學(xué)的方法，使其在燒結(jié)鉭塊顆粒表層形成一層五氧化二鉭（Ta2O5)薄膜。其反應(yīng)機(jī)理為：陽(yáng)極：2Ta→2Ta5++10e2Ta5++10OH-→Ta2O5+5H2O陰極：10H2O+10e→5H2↑+10OH-以賦能槽接電源負(fù)極，帶鉭絲的燒結(jié)鉭塊接電源正極，在賦能槽中選擇以0.01%.~0.1%H3P04的水溶液為電解液，進(jìn)行電化學(xué)處理，這樣就會(huì)在陽(yáng)極鉭塊表面生成一層五氧化二鉭（Ta2O5)薄膜。形成工藝的三個(gè)基本參數(shù)包括溫度、形成電壓、形成電流密度。（1）形成溫度。采取較高溫度形成，能獲得相對(duì)均勻致密的氧化膜，其溫度一般控制在85±5℃范圍內(nèi)；（2）形成電流密度。氧化膜生成速度與陽(yáng)極化電流密度息息相關(guān)。因此，為了提高鉭電解電容器生產(chǎn)效率，通常需要加大電流密度，但也需要合理控制。若電流密度過大，就會(huì)增加陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的熱能量，從而導(dǎo)致晶化發(fā)生。一般采取15-30mA/g的電流密度最佳，不僅可以使氧化膜快速形成，還能有效保障其質(zhì)量；（3）形成電壓。形成電壓可以說(shuō)直接影響著氧化膜厚度，氧化膜厚度又與鉭電解電容器的設(shè)計(jì)容量息息相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，固體鉭電解電容器的形成電壓為額定電壓的3.5~5倍之間。2.4被膜工序被覆固體電解質(zhì)在工業(yè)領(lǐng)域被稱為被膜，主要是在被膜槽中，將形成完成的鉭芯放置到高錳酸鉀溶液中，放置一段時(shí)間后，在高溫狀態(tài)下分解并形成二氧化錳，以此作為鉭電解電容器陰極，是一種非常重要的工序流程。在開展被摸工藝時(shí)，需要注意一下幾點(diǎn)問題：（1）被膜固體電解質(zhì)要保持牢固、穩(wěn)定的附著力，結(jié)構(gòu)密實(shí)，具備良好的導(dǎo)電性，同時(shí)注意與氧化膜的接觸效果。（2）二氧化錳是在高溫分解下生成的，因此需要重視起高溫使介質(zhì)膜損傷，而影響漏電流與合格率問題。二氧化錳層作為一種電容電解質(zhì)，其有著較多的優(yōu)勢(shì)性能。例如，二氧化錳的應(yīng)用，對(duì)保障生成牢固、致密以及良好導(dǎo)電性能的膜層起著非常重要的作用。對(duì)于硝酸錳溶液的要求：保證溫度不低于規(guī)定的值，溶液濃度不能有太大的偏離，溶液清澈無(wú)混濁現(xiàn)象，溶液的PH值保持平穩(wěn)，無(wú)太大變化。添加劑的作用是減低表面張力改善浸潤(rùn)效果，添加比例必須嚴(yán)格控制到位。脫水操作是改善溶液浸潤(rùn)性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，浸漬溶液后的被膜塊放入脫水爐內(nèi)，溶液的溫度相應(yīng)得到提高，熱力學(xué)效應(yīng)會(huì)加速溶液向微孔和MnO2的低密度區(qū)域浸潤(rùn)和擴(kuò)散，改善了溶液的浸潤(rùn)效果，對(duì)產(chǎn)品的容量引出和損耗等參數(shù)作用明顯，具體操作過程中必須要保證工藝溫度和時(shí)間受控。

3鉭電解電容器漏電流分析

鉭電解電容器的漏電流反映了介質(zhì)膜薄五氧化二鉭的絕緣質(zhì)量，完美的電容器介質(zhì)應(yīng)是無(wú)損無(wú)缺的薄膜，這種薄膜的絕緣電阻可高達(dá)幾百兆或以上。實(shí)際上，五氧化二鉭自身存在著一定的微小缺陷，例如表面疵點(diǎn)，縫隙等，漏電流則是這些缺陷雜質(zhì)離子電流以及電子電流共同構(gòu)成的。所以五氧化二鉭介質(zhì)膜的質(zhì)量對(duì)整個(gè)鉭電容器質(zhì)量起著決定性作用，若本身介質(zhì)膜電流較大，那么在高應(yīng)力下，電應(yīng)力越集中，電流密度就越大，從而導(dǎo)致疵點(diǎn)周圍的氧化膜出現(xiàn)晶化，進(jìn)一步增大了疵點(diǎn)，惡化介質(zhì)質(zhì)量，導(dǎo)致絕緣電阻下降。并且產(chǎn)品介質(zhì)膜漏電流與環(huán)境溫度及施加的電壓都有著必然的關(guān)聯(lián)，若鉭電解電容器的漏電流超過一定值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電容器失效。因此，要想考核一個(gè)產(chǎn)品是否可靠，應(yīng)在具體使用過程中關(guān)注產(chǎn)品漏電流變化率，分析產(chǎn)品漏電流在不同溫度下的變化率關(guān)系以及浪涌電壓條件下的漏電流變化，尤其在低阻抗無(wú)開關(guān)電源電路中，該產(chǎn)品有著決定性特點(diǎn)，因此對(duì)電路可靠性影響非常大。

4固體鉭電解電容器使用的幾點(diǎn)建議

4.1避免超溫應(yīng)用。固體鉭電解電容器在超溫狀態(tài)下，其材料的本質(zhì)與性能就會(huì)發(fā)生改變。這是由于固體鉭電解電容器使用的材料熱膨脹系數(shù)均不同，若產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致電容器失效。同時(shí)還需要注意的是，固體鉭電解電容器在高溫條件下長(zhǎng)期儲(chǔ)存，也可能會(huì)發(fā)生失效問題。因此，針對(duì)以上情況，應(yīng)規(guī)范固體鉭電解電容器的使用，避免超溫應(yīng)用，避免在高溫狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間使用以及避免在電裝過程中的過溫焊接。4.2禁止頻繁充電、放電的開關(guān)行為。這是因?yàn)槿绻娫磁c負(fù)載電阻變小，電流就會(huì)瞬間增大電流值，從而使得固體鉭電解電容器氧化膜破損。且固體電解電容器不耐大的沖擊電流很容易在氧化膜薄弱區(qū)域發(fā)熱，從而使得氧化膜晶化發(fā)生，降低其耐壓能力。因此，規(guī)范使用固體鉭電解電容器非常重要。

5總結(jié)

固體鉭電解電容器經(jīng)過幾十年的發(fā)展與優(yōu)化，其性能得到了一定的提升，并增加了能量密度和可靠性。在未來(lái)，希望相關(guān)生產(chǎn)單位可以積極應(yīng)用先進(jìn)生產(chǎn)工藝與制造技術(shù)，使用新型材料，采取科學(xué)的檢測(cè)手段，以此更好的確保固體鉭電解電容器使用質(zhì)量，延長(zhǎng)器使用壽命。

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作者:劉建清 單位:株洲宏明日望電子科技股份有限公司