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    钽电解电容器及其性能





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    由于微电子技术的不断革新,一般电源电路的两侧和个人电脑的中央处理器(CPU)等所使用的电容器 都要求小型化,高容量,低阻抗等优良的电性能;钽电解电容器作为电解电容器中的一类,恰好具有以上 特点,因此钽电解电容器广泛应用于通信、航天和军事工业、海底电览和高级电子装置、民用电器、电视 机等多方面。
    钽电解电容器的定义
    钽电解电容器是一种用金属钽(Ta)作为阳极材料而制成的,按阳极结构的不同可分为箔式和钽粉 烧结式两种,在钽粉烧结式钽电容中,又因工作电解质不同,分为固体电解质的钽电容和非固体电解质的 钽电容。其中,固体钽电解电容器用量大,如CA型、CA42型、CA45型等。钽电解电容和铝电解电容相比有下述优点
    1.体积小。 由于钽电容采用了颗粒很细的钽粉,而且钽氧化膜的介电常数ε比铝氧化膜的介电常数高17,因此钽电容的单位体积内的电容量大。
    2.使用温度范围宽。 一般钽电解电容器都能在-55℃~125℃的温度下正常工作,而铝电解电容器最高只能在-55℃~105℃的温度下正常工作,并且在这个范围内工作,电性能远远不如钽电解。
    3.寿命长、绝缘电阻高、漏电流小。 钽电解电容器中钽氧化膜介质不仅耐腐蚀,而且长时间工作能保持良好的性能。
    4.阻抗频率特性好。 对频率特性不好的电容器,当工作频率高时电容量就大幅度下降,损耗(tgδ)也急剧上升。但固体电解电容器可工作在50KHz以上。钽电容随频率上升,也要出现容量下降现象,但下降幅度较小,有资料表明,工作在10kHz时钽电容容量下降不到20%,而铝电解电容容量下降达40%。
    5.可靠性高。 钽氧化膜的化学性能稳定,又因钽阳极基体Ta2O5能耐强酸、强碱,所以它能使用固体或含酸的电阻率很低的液体电解质,这就使得钽电解电容器的损耗要比铝电解电容小,而且温度稳定性良好。
    钽电解电容和陶瓷电容相比有下述优点
    1、稳定特性。对电容器施加的直流偏置电压增加或温度上升时会导致容量下降,容量的下降会导致放大器的功能和稳定性变差,但是钽电解电容器随直流偏置电压的增加,容量下降的速度要比陶瓷电容器的容量下降的速度慢很多
    2、交流信号。由于小的交流信号(20-30%)导致容量下降,陶瓷电容施加小的交流信号电压,容量下降,会影响放大器的功能和稳定性差。
    3、滤波干净度。陶瓷电容器使用钛酸钡材料,必然存在压电效应,即X5R,X7R,Y5V介质层用在小型麦克风或扬声器,由于信号保真度下降会产生附加噪音;而钽电解电容器使用的电解质材料MnO2则存在很小的电压效应,保证了信号的保真度。
    4、可靠性。根据军方描述陶瓷电容失效率比钽电容高出30%以上。
    5、机械性能。在垂直坠落实验中高CV值陶瓷电容器容易断裂,而钽电容器独有 的塑封结构有高的耐冲击性。
    钽电容器的失效机理
    一般情况下,考核钽电容器性能有三个主要参数: 漏电流Ir(μA);电容量C(μF);损耗角正切值tgδ(%);在技术规范中规定了若干试验项目来考核三个参数,以免元器件在使用过程中失效。
    由于钽电解电容器的固体电解质的特性,钽电解电容器的失效曲线呈浴盆状。实际上,在试验中容量变化、损耗角正切值失效的现象是极少的,几乎没有超过技术规范要求的,失效主要集中在漏电流恶化上。 
    漏电流,是对电容器施加额定直流工作电压,将观察到充电电流的变化,开始很大,随着时间而下降,到某一终值时达到较稳定状态,这一终值电流称Ir为漏电流。
    漏电流反映的是钽电容器介质膜Ta2O5的绝缘质量,理想中的电容器介质应是完美无缺的薄膜,它的绝缘电阻可达几百兆欧以上。而实际上Ta2O5表面存在各种微小的疵点、空洞以及隙缝之类的缺陷,漏电流就是通过这些缺陷的杂质离子电流和电子电流所组成。如果电流较大,在试验的高应力下,电应力集中,电流密度大,使疵点周围的氧化膜“晶化”,扩大了疵点面积,介质质量进一步恶化,绝缘电阻下降,漏电流增加。当漏电流增加到超过技术规范的规定值,造成电容器失效。有时漏电流变得无穷大,实际介质膜已击穿,电容器完全失去了作用。所以,在讨论电容器的失效机理时,从理论上讲三个参数都可能失效,实际上,漏电流变大,才是电容器致命的失效。如果使用了漏电流大而失效的钽电容器(如在整机上),导致整机不能工作,甚至烧毁部分线路。在钽电容器试验项目中,在用户反映的质量问题中,有90%以上都集中反映在漏电流变大的恶化问题。
    影响钽电容器失效的因素
    影响钽电容器失效的因素主要有二个方面,一方面是制造电容器的材料-钽粉、钽丝的影响,另一方面是制造电容器的工艺影响。
    (1)钽粉、钽丝的影响
    钽粉、钽丝的化学性能、物理性能、杂质含量、钽粉的颗粒形状、大小,击穿电压,都直接影响钽电容器的质量。钽粉、钽丝中的杂质含量对形成氧化膜的质量有很大的影响。钽电容器的阳极芯子在成型时要经过1500~2050℃的高温高真空的烧结,烧结的目的之一就是去掉钽粉、钽丝中的杂质,而那些难熔的杂质,如钨、钼、硅、铁、铜等,在烧结时难以完全去除,在形成氧化膜时成为疵点的“晶核”,成为导电通道。所以,对钽粉的杂质含量要求极为严格,一般要求小于10~50PPM。钽粉有很多种规格,是根据电容器的工作电压,分为高压粉、中压粉、低压粉,各种粉的比容、物理性能、击穿电压都有区别,在生产电容器时,必须根据电容器的规格,合理、恰当选用钽粉,才能确保电容器的质量。
    (2)电容器制造工艺的影响
    钽电容器的生产工艺也直接影响钽电容器的性能,尤其是几个关键工序将直接影响钽电容器的漏电流。
    第一、阳极制造工序,是将钽粉成型并进行高温真空烧结,目的是成型和提纯,要通过1500~2050℃高真空烧结,去除杂质,达到提纯的目的。如果提纯效果不佳,残留的杂质在钽阳极芯子中,将成为介质膜中的“晶核”,是造成漏电流的隐患。
    第二、赋能工序,是将钽阳极放在电解液中,施加直流电压,电解液中的氧离子和钽阳极中的钽形成Ta2O5膜层。在这一工艺中,电解液的配方及温度、电压、升压电流密度、恒压时间、都必须严格按工艺要求进行控制。赋能工艺结束后,要进行赋能效果检验,特别是电容量和漏电流,必须达到工艺要求。希望漏电流值越小越好。在赋能工艺过程中,如某一环节掌握不好,极易产生“晶化”现象,所以,赋能工艺要求制造完整的介质膜层,又不能出现“晶化”现象。
    第三、被膜工序,是制造电容器阴极MnO2,也是影响漏电流的关键工序。现在工艺采用“水汽被膜工艺”,提高了MnO2层质量,其电阻值极小,所以电容器的损耗值小。漏电流取决于被膜的工艺控制及中间赋能的效果。
    第四、此外装配工序质量、老炼工艺效果都影响电容器的漏电流性能。
    第五、筛选工序,是对钽电容器的成品采取进一步加严检验的工艺,通常采用高、低温筛选、长时间高温老练筛选以及X光透射检查等等。
    结论
    第一、单位体积内所具有的电容量特别大,即比容量非常高。
    第二、在电容器的工作过程中,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,这就是所说的钽电解电容器的失效几率特别低。
    第三、钽电解电容器的比表面积大,这是保证其小型化的必要条件。
    第四、漏电流、损耗角正切值较小,温度、频率特性好。
    第五、良好的使用稳定性和可靠性,使用寿命长。